Dissertations / Theses: 'Piles à hydrogène'

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Chabane, Djafar. "Gestion énergétique d'un ensemble réservoir d'hydrogène à hydrure et une pile à combustible PEM." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2017. http://www.theses.fr/2017UBFCA010/document.

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Abstract:

Cette thèse porte sur les phénomènes inhérents au couplage d'un système de stockage d'hydrogène à base d'hydrures métalliques et d'une pile à combustible (PàC). Le but est de développer une loi de gestion optimale des flux (électriques, fluidiques, thermiques).Une étude poussée a été réalisée sur les différents moyens de production de l'hydrogène ainsi que les différentes méthodes de son stockage. Une large place est donnée à la caractérisation des hydrures au sein du réservoir. Ce travail a permis le développement d'une nouvelle méthode de caractérisation pour des réservoirs à hydrure. Cette dernière et a été mise en œuvre expérimentalement avec des processus de charges et de décharges effectués sur trois réservoirs contenant des hydrures différents. Compte tenu de la confidentialité du fabriquant, plusieurs données n'étaient pas accessibles expérimentalement. Ainsi, un modèle numérique du réservoir à hydrure a été réalisé dans l'environnement Comsol multiphysics. Dans une volonté de modéliser le couplage thermique entre la PàC et le réservoir à hydrure, un modèle 0D dans l'environnement Matlab Simulink d'un système comportant une pile à combustible, un réservoir à hydrure et un échangeur de chaleur a été réalisé. Ces développements ont abouti à la proposition et l'étude de deux topologies pour la gestion des échanges thermiques entre la PàC et le réservoir à hydrure de type AB : topologie série et topologie parallèle. Dans la topologie série le même fluide caloporteur circule dans le réservoir et dans la PàC ce qui veut dire que les deux composants ont les mêmes températures de fonctionnement. Ceci peut causer des difficultés d'opération de la PàC qui nécessite généralement des températures de fonctionnement plus élevées que celles du réservoir. La topologie parallèle, apporte la solution à ce problème en offrant la possibilité de deux températures distinctes de fonctionnement pour la PàC et le réservoir
This thesis deals with the phenomena inherent in the coupling of a hydrogen storage system based on metal hydrides and a fuel cell. The aim is to develop an optimal flow management law (electrical, fluidic, thermal).A detailed study was carried out on the various means of hydrogen production and the different methods of its storage. A large place is given to the characterization of the hydrides within the reservoir. This work allowed the development of a new characterization method for hydride tanks. The latter was experimentally carried out with charge and discharge processes carried out on three reservoirs containing different hydrides. Given the manufacturer's confidentiality, several data were not accessible experimentally. Thus, a numerical model of the hydride tank was carried out in the multiphysics Comsol environment. In order to model the thermal coupling between the fuel cell and the hydride tank, an OD model in the Matlab Simulink environment of a fuel cell, hydride tank and heat exchanger system was realized. These developments resulted in the proposal and study of two topologies for the management of heat exchanges between the fuel cell and the type AB hydride tank: series topology and parallel topology. In the series topology, the same heat transfer fluid circulates in the reservoir and in the fuel cell, which means that the two components have the same operating temperatures. This can cause difficulties in the operation of the POC which generally requires higher operating temperatures than those of the tank. The parallel topology provides the solution to this problem by offering the possibility of two distinct operating temperatures for the PàC and the tank

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Mosdale, Renaut. "Etude et développement d'une pile à combustible hydrogène/oxygène en technologie électrolyte polymère solide." Grenoble INPG, 1992. http://www.theses.fr/1992INPG0116.

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Abstract:

La pile a combustible h#2/o#2 e. P. S. Apparait aujourd'hui comme etant l'un des meilleurs candidats au remplacement du moteur a explosion pour la traction automobile. Ce systeme utilise la recombinaison electrochimique, non explosive, d'hydrogene et d'oxygene. C'est donc un generateur electrique propre dont le seul produit de reaction est de l'eau. Cette these presente une etude theorique de ce systeme, la synthese et la caracterisation de differents type d'electrodes, et enfin une analyse des mouvements d'eau dans l'electrolyte par differentes techniques originales

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Diawara, Moussa. "Modélisation DFT des propriétés catalytiques de la Cérine utilisée comme matériaux d’interface dans les Piles à Combustible à Oxyde Solide (SOFC)." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019PSLEC029.

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Abstract:

Le développement de nouveaux matériaux pour les piles à combustible à oxyde solide (SOFCs) est un challenge afin de répondre aux enjeux actuels: abaissement de la température de fonctionnement, utilisation de métaux non précieux, flexibilité d’utilisation du carburant ou encore résistance à la dégradation. A ces fins, une double approche théorique et expérimentale est développée depuis de nombreuses années au sein de l’équipe I2E, afin de mettre au point des matériaux à base de Cérine dopée en tant que matériaux d’interface permettant d’améliorer les propriétés catalytiques des anodes des SOFC. L’approche expérimentale a été mise en œuvre pour synthétiser des nanoparticules d’oxyde de cérium pure (baguette, cube ou octaèdre) exposant respectivement les surfaces (110), (100) et (111). Les résultats obtenus ont montré que l’orientation (100) était la plus réactive, suivie de la (110), puis de la (111) la moins réactive. Sur la base de ces résultats expérimentaux, cette thèse vise à développer une approche DFT pour étudier la première étape de l’activation de l’hydrogène sur une surface pure de CeO2, à savoir pour chaque orientation cristallographique, l’adsorption de la molécule sur la surface puis sa dissociation pour former des groupes hydroxyles : géométrie et énergie d’adsorption des états moléculaires et dissociés, chemin réactionnel conduisant de l’adsorption à la dissociation et les énergies d’activation correspondantes. Ensuite des calculs seront effectués pour évaluer l’effet d’une série de dopants (yttrium, gadolinium, samarium) sur le mécanisme de l’activation de l’hydrogène et les énergies d’activation correspondantes Mots clés : SOFC, Cérine, hydrogène, DFT
The development of new materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) is a challenge to meet current challenges: lowering operating temperature, use of non-precious metals, flexibility of fuel use or resistance to degradation. For these purposes, a dual theoretical and experimental approach has been developed for many years within the I2E team, in order to develop doped cerine-based materials as interface materials to improve the catalytic properties of SOFC. anodes. The experimental approach was implemented to synthesize nanoparticles of pure cerium oxide (rod, cube or octahedron) respectively exposing the surfaces (110), (100) and (111). The results obtained showed that the orientation (100) was the most reactive, followed by the (110), then the (111) least reactive. On the basis of these experimental results, this thesis aims at developing a DFT approach to study the first step of the activation of hydrogen on a pure CeO2 surface, ie for each crystallographic orientation, the adsorption of the molecule on the surface then its dissociation to form hydroxyl groups: geometry and adsorption energy of the molecular and dissociated states, reaction path leading from the adsorption to the dissociation and the corresponding energies of activation. Then calculations will be made to evaluate the effect of a series of dopants (yttrium, gadolinium, samarium) on the mechanism of hydrogen activation and the corresponding activation energies Key words: SOFC, Ceria, hydrogen, DFT

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Simoncini, Nicolas. "Histoire de la recherche sur les piles à combustible en France des années soixante aux années quatre-vingt." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2018. http://www.theses.fr/2018UBFCA030/document.

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Abstract:

Les piles à combustible, dont le principe de fonctionnement est connu depuis le milieu du XIXème siècle, permettent de produire simultanément de l’électricité, de l’eau et de la chaleur à partir de combustibles et comburants tels que l’hydrogène et l’oxygène. À la fin des années cinquante, ces générateurs électrochimiques connaissent des perfectionnements majeurs, notamment grâce aux travaux de l’Anglais Francis T. Bacon, et sont utilisés aux États-Unis par la NASA (Aeronautics and Space Administration) au sein de ses programmes spatiaux. En France, des études sont mises en place au même moment dans des laboratoires publics et privés, tels que ceux d’Alsthom, de l’Institut français du pétrole et du CNRS (Centre national de la recherche scientifique), sous l’égide des Armées et de la DGRST (Délégation générale à la recherche scientifique et technique), organisme d’État chargé de la politique de la recherche. Jusqu’au début des années quatre-vingt, des millions de francs sont ainsi investis et des centaines de chercheurs, ingénieurs et techniciens sont mobilisés pour améliorer la technique, travailler à son adaptation aux automobiles électriques, aux trains, aux sous-marins, à la construction de centrales de production industrielle d’électricité ou encore à la fourniture de solutions militaires. Alors que de nos jours les piles à combustible apparaissent en France comme des options majeures pour la transition énergétique, c’est tout l’objet de cette thèse que de retracer, restituer et analyser cette partie de leur histoire grâce à une enquête de terrain fondée sur la récolte d’archives et la réalisation d’entretiens avec des acteurs ayant participé aux recherches. Nous mettrons tout d’abord au jour les conditions socio-historiques et les dynamiques structurelles qui font que les piles à combustible deviennent un thème d’intérêt en France à la fin des années cinquante. Nous montrerons ensuite comment les études sont organisées puis réorientées dans les années soixante et soixante-dix en fonction de l’évolution du collectif de pensée et du réseau social créés autour de la technique. Enfin, nous examinerons l’ensemble des raisons politiques, économiques, scientifiques et sociales pour lesquelles ces travaux sont presque tous abandonnés au début des années quatre-vingt
Fuel cells, which operation principle is known since the middle of the 19th century, allow to produce electricy, water and heat simultaneously from fuels and combustives like hydrogen and oxygen. At the end of the 50s, these electrochemical generators are perfected, particularly thanks to the work of Francis T. Bacon in England, and are used in the USA by NASA (Aeronautics and Space Administration) for space programs. In France at the same period, private and public laboratories as Alsthom, the IFP (French Petroleum Institute) and the CNRS (French National Center for Scientific Research) start their own studies under the supervision of the Ministry of Defense and the DGRST (General Commission for for Scientific and Technical Research), a national institution in charge of scientific research policy. Until the beginning of the 80s, millions are thus invested and hundreds of researchers, engineers and technicians are mobilized to improve fuel cells, work on their adaptation to electrical cars, trains, submarines, on the construction of fuel cell power plants or specific military equipments. Now that in France fuel cells are considered as major options for energy transition, the objective of this dissertation paper is to analyze this period of their history thanks to a field investigation based on numerous archives and interviews with stakeholders who contributed to researches. We will first expose socio-historical conditions and structural dynamics which make fuel cells become a theme of national interest at the end of the 50s. We will then show how studies are organized and reoriented in the 60s and 70s according to the evolution of the thought collective and the social network created around fuel cells. Finally we will examine all political, economic, scientific and social reasons which led to drop almost all fuel cell researches in the country at the beginning of the 80s

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Iosub, Vasile. "Développement et optimisation d'une unité de stockage de l'ydrogène sur hydrures métalliques utilisée dans les systèmes stationnaires de pile à combustible." Paris 12, 2004. https://athena.u-pec.fr/primo-explore/search?query=any,exact,990002109170204611&vid=upec.

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Abstract:

Le travail effectué a commencé par une étude approfondie de la bibliographie sur l'application des hydrures métalliques comme matériau de stockage solide de l'hydrogène. Cette étude a permis de cerner deux familles de composés intermétalliques aptes à répondre à la demande de l'application envisagée : les composés de type AB5 avec une composition MmNi5-xSnx (Mm appelé mischmetal, est un mélange de La, Ce, Nd et Pr obtenu directement à partir du minerai) ainsi que les composés de type AB2 avec une composition Zr1-pTipMn2-r-sNirVs. Dans un deuxième temps, nous avons cherché à optimiser les propriétés d'absorption de l'hydrogène en jouant sur la composition et la structure de ces matériaux. En outre, une étude de cinétique et de vieillissement en cyclage a été faite. A partir des résultats expérimentaux obtenus, nous avons pu déterminer de nouvelles relations composition - structure - propriétés thermodynamiques afin de pouvoir adapter d'autres types de compostions au cahier des charges
The work bas started with a thorough study of tbe bibliography on the metal hydrides application as hydrogen storage materials in solid gas process. This study has made possible to determine two familles of intermetallic compounds able to reach the needs of the specific application: the AB5-type compounds with MmNi5-xSnx compositions (Mm stands for mischmetal, a mixture of La, Ce, Nd and Pr as well as tbe AB2-type compounds with Zr-pTipMn2-r-sNirVs compositions. In a second time we have tried to optimise hydrogen absorption properties by modifying the alloy composition and structure. Moreover, a study of the kinetics and ageing during cycling was made. From the experimental results, new relations composition - structure - thermodvnamic properties bave been determined in order to adapt other types of hvdrogen storage materials to the specifications

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Escribano, Sylvie. "Optimisation de nouvelles électrodes pour piles à combustible hydrogène/oxygène à membrane électrolyte polymère." Grenoble INPG, 1995. http://www.theses.fr/1995INPG0148.

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Abstract:

Ce travail concerne l'optimisation de nouvelles electrodes pour piles a combustible hydrogene/oxygene a membrane electrolyte polymere. L'energie electrique est fournie par la recombinaison en eau de l'hydrogene et de l'oxygene, respectivement oxyde et reduit sur deux electrodes separees par la membrane electrolyte, ici du nafion. L'objectif est de realiser des electrodes a tres faibles chargements en platine (utilise comme catalyseur) mais fournissant de bonnes performances electrochimiques. Une etude theorique succincte donne des informations sur le comportement des piles en fonction de certaines caracteristiques des assemblages electrodes/membrane (aem). La zone active des electrodes (contenant le platine) est deposee par pulverisation soit sur des tissus de carbone contenant un agent hydrophobe (zone diffusionnelle) soit sur la membrane electrolyte. Les aem sont formes par pressage a chaud des trois elements zone diffusionnelle-zone active-membrane. L'interet et l'influence de plusieurs parametres d'elaboration sont analyses hors fonctionnement par des techniques de caracterisation morphologique, comme la microscopie electronique et la thermoporometrie, mais aussi par voltamperometrie cyclique. Les tests en pile sont enfin utilises pour l'evaluation des performances electrochimiques, representees par les courbes de polarisation

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Labbé, Julien. "L’ hydrogène électrolytique comme moyen de stockage d’électricité pour systèmes photovoltaïques isolés." Paris, ENMP, 2006. http://www.theses.fr/2006ENMP1434.

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Abstract:

Un système électrique isolé du réseau, uniquement alimenté par un générateur photovoltaïque nécessite un stockage d’énergie pour être autonome. La batterie au plomb est couramment utilisée à cet effet, en raison de son faible coût, malgré certaines contraintes de fonctionnement. On peut la remplacer par une unité de stockage (USEH) incluant un électrolyseur, une pile à combustible et un réservoir d’hydrogène. Mais il reste d’importants efforts à fournir avant de voir l’essor industriel de cette technologie dont les débouchés doivent être identifiés. Les applications stationnaires de quelques kW sont évaluées par simulation numérique. Un simulateur est développé dans l’environnement Matlab/Simulink, comprenant principalement : le champ photovoltaïque et le système de stockage (batteries au plomb, USEH, ou stockage hybride USEH/batteries). La taille des composants est calculée pour satisfaire l’autonomie du système sur une année de fonctionnement. Il est testé pour 160 profils de charge (1kW en moyenne annuelle) et trois situations géographiques (Algérie, France et Norvège). Deux coefficients sont mis en place pour traduire la corrélation entre la consommation de l’usager et la disponibilité de la ressource renouvelable, à l’échelle journalière et saisonnière. Parmi les cas testés, le coefficient de corrélation saisonnier montre une valeur limite permettant de préconiser le stockage le plus adapté au cas étudié. L’emploi de l’USEH au lieu de batteries au plomb peut conduire à accroître le rendement du système, à réduire la taille du champ photovoltaïque et à optimiser l’exploitation de la ressource renouvelable. Dans tous les cas testés, l’hybridation de l’USEH avec des batteries permet d’améliorer le dimensionnement et les performances du système, avec un gain sur le rendement de 10 à 40 % selon le lieu testé. La confrontation des résultats de simulation à des données de systèmes réels a permis de valider les modèles utilisés
Stand alone systems supplied only by a photovoltaic generator need an energy storage unit to be fully self-sufficient. Lead acid batteries are commonly used to store energy because of their low cost, despite several operational constraints. A hydrogen-based energy storage unit (HESU) could be another candidate, including an electrolyser, a fuel cell and a hydrogen tank. However many efforts still need to be carried out for this technology to reach an industrial stage. In particular, market outlets must be clearly identified. The study of small stationary applications (few kW) is performed by numerical simulations. A simulator is developed in the Matlab/Simulink environment. It is mainly composed of a photovoltaic field and a storage unit (lead acid batteries, HESU, or hybrid storage HESU/batteries). The system component sizing is achieved in order to ensure the complete system autonomy over a whole year of operation. The simulator is tested with 160 load profiles (1 kW as a yearly mean value) and three locations (Algeria, France and Norway). Two coefficients are set in order to quantify the correlation between the power consumption of the end user and the renewable resource availability at both daily and yearly scales. Among the tested cases, a limit value of the yearly correlation coefficient came out, enabling to recommend the use of the most adapted storage to a considered case. There are cases for which using HESU instead of lead acid batteries can increase the system efficiency, decrease the size of the photovoltaic field and improve the exploitation of the renewable resource. In addition, hybridization of HESU with batteries always leads to system enhancements regarding its sizing and performance, with an efficiency increase by 10 to 40 % depending on the considered location. The good agreement between the simulation data and field data gathered on real systems enabled the validation of the models used in this study

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Mathieu-Potvin, François. "Modélisation et optimisation des canaux réactifs de microréacteurs et des piles à combustible à hydrogène." Thesis, Université Laval, 2014. http://www.theses.ulaval.ca/2014/30552/30552.pdf.

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Abstract:

Les piles à combustible à l’hydrogène (PACH) sont des engins qui produisent de l’énergie électrique à l’aide d’une réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène. Ces dispositifs sont des candidats potentiels pour le remplacement des moteurs à combustion interne conventionnels. Cependant, les PACH ne sont toujours pas compétitives sur le plan commercial, car leur coût, leur poids et leur volume sont encore trop élevés. Un défi est donc d’améliorer l’efficacité des PACH en améliorant leur design. L’objectif de ce projet est de développer des outils de modélisation mathématique et de simulation numérique, pour ensuite optimiser le design des piles à combustible à l’hydrogène. Dans un premier temps, les phénomènes de transport à très petite échelle dans les milieux poreux qui constituent les PACH sont formulés mathématiquement, et une stratégie de lissage spatial est appliquée à ces équations pour les transformer en équations lissées valides à l’échelle macroscopique. Le nouveau modèle développé démontre que l’équation de conservation de la masse contient un terme volumique additionnel, tandis que l’équation de la quantité de mouvement reste similaire à la loi de Darcy. Dans un second temps, un modèle numérique est développé pour optimiser la géométrie des canaux catalytiques dans lesquels un fluide réagit chimiquement. Ce type d’écoulement peut représenter, entre autres, les réactants qui circulent dans les canaux se trouvant dans les PACH. Des corrélations sont développées analytiquement pour prédire les designs optimaux, et ces corrélations sont corroborées par des résultats numériques. Dans un troisième temps, un modèle mathématique et numérique complet de PACH est développé et validé. Ce modèle est utilisé pour optimiser l’allocation de catalyseur entre l’anode et la cathode, et pour optimiser la distribution de catalyseur dans la cathode. Les résultats montrent qu’une allocation inégale de catalyseur entre anode et cathode permet d’augmenter le courant généré par une PACH, et une distribution non-uniforme de catalyseur dans la cathode mène aux courants les plus élevés. Enfin, les paramètres les plus influents du modèle numérique ont été identifiés par une analyse de sensibilité.
Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are devices that produce electricity by means of a chemical reaction between hydrogen and oxygen. These devices are possible alternatives for the replacement of internal combustion engines. However, they are not yet competitive, because their cost, weight and volume are still too large. A challenge is thus to increase PEMFC efficiency by optimizing their design. The main objective of the present project is to develop mathematical and numerical modeling tools in order to optimize the PEMFC design. First, small-scale transport phenomena in the porous media of PEMFC are formulated mathematically, and then a volume averaging method is used to transform these equations into equations that are valid at a larger scale in the porous media. The new mathematical model obtained with this strategy shows that the mass conservation equation contains an additional term, while the momentum equation remains similar to Darcy’s Law. Second, a numerical model is developed in order to optimize the geometry of catalytic channels in which a fluid undergoes chemical reactions. This kind of flow may represent, for example, the reacting species that move in PEMFC channels. Correlations are developed analytically in order to predict the optimal designs for these channels. These correlations were validated with numerical simulations. The results obtained may be applied to several different devices (e.g., microreactors, monolith, PEMFC). Finally, the mathematical and numerical model of a PEMFC are developed and validated. This model is used to optimize catalyst allocation between the anode and cathode sides of the fuel cell, and also to optimize catalyst distribution within the cathode catalyst layer. The analysis shows that an unequal allocation of catalyst between the anode and cathode sides results in a higher electric current. It was also shown that a non-uniform catalyst distribution within the cathode layer yields higher electric current. Finally, the most influential parameters of the numerical model were identified by a sensitivity analysis.

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Desplobain, Sébastien. "Étude et réalisation de couches de diffusion de gaz en silicium poreux appliquées à la fabrication de micropiles à hydrogène." Thesis, Tours, 2009. http://www.theses.fr/2009TOUR4030/document.

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Abstract:

L'objectif de cette thèse a consisté à étudier des procédés de fabrication de couches de diffusion de gaz (GDL) en silicium poreux appliqués à l'intégration de micropiles à combustible de type PEMFC sur plaquette de silicium. Deux types de couches ont été étudiés : sur surface plane (2D) et sur surface texturée (3D). Les couches de diffusion de gaz ont été réalisées par l'anodisation de silicium de type N fortement résistif. Une localisation des motifs poreux a été obtenue par ouverture d'un masque en polysilicium sur oxyde thermique de silicium. Seules les GDL 2D entièrement macroporeuses assuraient un débit d'hydrogène compatible avec les objectifs de fabrication d'une micropile prototype. Le prototype a permis de valider la compabilité de la couche de diffusion de gaz avec les étapes d'empilement des couches actives constitutive de la micropile. Son fonctionnement nous a permis d'atteindre une densité de puissance de 250 mW/cm²
This thesis work deals with porous silicon gas diffusion layer (GDL) fabrication process. The aim was to integrate this GDL into proton exchange membrane micro fuel cells (PEMFC). Consequently, the GDL must be localized in specific wafer areas. We have also developed 2D and 3D structures. To produce a GDL, we have anodized low doped N type silicon subrates. thus, we have fabricated macroporous GDL and double layer structures made up of a mesaporous layer on a macroporous one. Patterning of the GDL has been obtained through a hard mask (polysilicon on top of a silicon oxide layer) or using a localized doping. We have concluded this work by achieving micro fuel cell prototypes with macroporous silicon gas diffusion layers. After validation of micro PEMFC active layer mechanical stacking, we have measured a maximum power density of about 250 mW/cm²

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Carvalho-Padilha, Janine. "Liquidos iônicos como eletrólitos para reaçóes electroquimicas." Rennes 1, 2007. http://www.theses.fr/2007REN1S030.

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Abstract:

Les liquides ioniques (LI) BMI. BF₄ et BMI. PF₆ ont été utilisés comme électrolytes pour des réactions électrochimiques: production d’ H₂, de haute pureté, obtenu par l’électrolyse de l’eau. Ce système a une grande efficacité à température ambiante et il peut utiliser des électrodes peu coûteuses comme l’acier carbone. L'H₂ produit peut alimenter les piles à combustible avec une efficacité de 67 %. Enfin, l’étude du comportement électrochimique de polymères organiques conducteurs en milieu LI ou en milieu mixte LI + solvant organique montre que le dopage p de ces matériaux est difficile en milieu LI pur et plus facile en milieu mixte
Ionic liquids (LI) BMI. BF₄ and BMI. PF₆ were used as electrolytes in several electrochemical reactions : hydrogen production by water electrolysis, energy generation in fuel cells (H₂ cells) and study of conducting polymers. In this work we show that ILs can be used as electrolytes for H₂ production by H₂O electrolysis at room temperature, with a high efficiency and the use a low carbon steel (LCS) electrocatalyst with better performance than that platinum (Pt). The H₂ obtained by water electrolysis has high purity and can be used to perform energy generation in fuel cells with 67% efficiency. Finally, the study of the electrochemical behaviour of organic conducting polymers of the polyfluorene family in pure Ionic Liquid (IL) or in organic solution containing IL demonstrates that the p-doping processes of the polyfluorenes is very difficult in pure IL and somewhat easier in mixed media

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Rabih, Samer. "Contribution à la modélisation de systèmes réversibles de types électrolyseur et pile à hydrogène en vue de leur couplage aux générateurs photovoltaïques." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2008. http://oatao.univ-toulouse.fr/7731/1/rabih.pdf.

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Abstract:

Une réponse aux préoccupations actuelles suscitées par un bouquet énergétique principalement constitué de combustibles fossiles épuisables et nuisibles à l'environnement est de leur substituer peu à peu des sources d'énergies renouvelables, notamment solaires ou éoliennes. Cependant, ces énergies de flux à caractère intermittent posent un problème de valorisation. Elles sont souvent la source d'une électricité qui hérite de leurs fluctuations, dont le transport requiert un réseau, et qui constitue un vecteur peu aisé à stocker. Dans ce contexte l'hydrogène synthétisé à partir de cette électricité renouvelable pour la stocker est considéré comme un vecteur de stock prometteur pour le futur. Divers composants et procédés électrochimiques sont associés à cette perspective : électrolyseurs, piles à combustibles, associations des deux fonctions combinées dans le système ou intégrées dans un unique composant réversible. Notre travail se situe dans cette perspective. Il a contribué au développement de modèles avancés de composants électrochimiques de type électrolyseur ou piles à combustible, en intégrant la réversibilité en vue de l'étude de leur couplage aux générateurs photovoltaïques. Les modèles développés suivant une approche énergétique unifiée exploitent la représentation en bond graph. Après une analyse du contexte énergétique, un état de l’art des composants électrochimiques couplant hydrogène et électricité est présenté, plus particulièrement sur les électrolyseurs et sur les piles à combustible réversibles. Puis, après un rappel des principes de la représentation en Bond Graph, nous exploitons ce formalisme pour développer un modèle énergétique réversible de composant « électrolyseur et/ou pile à combustible», représentant au niveau macroscopique les phénomènes de conversion réactionnels et dissipatifs, couplés dans les domaines chimique, thermodynamique, électrique, fluidique et thermique. Des essais de caractérisation et de validation menés sur des petits dispositifs expérimentaux sont ensuite décrits. Ils permettent d'illustrer l’influence des paramètres opératoires sur les performances de ces composants. Enfin le modèle Bond Graph est exploité pour étudier la modularité des composants, notamment les déséquilibres électriques et thermiques dans les associations séries ou parallèles de piles à combustible ou d’électrolyseurs. Une architecture couplant ces éléments avec un générateur photovoltaïque pour alimenter une charge isolée ou un réseau électrique est enfin présentée.

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Le, Thi Chi. "Production d’hydrogène par un système de reformage de bioéthanol en vue de l’alimentation d’une pile à combustible PEM." Paris, ENMP, 2008. http://www.theses.fr/2008ENMP1559.

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Abstract:

Dans un contexte de réduction d’émissions des gaz à effet de serre, l’hydrogène apparaît comme prometteur car c’est un vecteur énergétique respectueux de l’environnement. L’utilisation d’une pile à combustible alimentée en hydrogène pour les applications automobiles, portables ou stationnaires pourrait être une solution d’avenir. La production d’hydrogène in situ par reformage de bioéthanol (carburant propre du point de vue environnemental) en vue d’alimenter une pile, peut être une solution alternative au problème du stockage de l’hydrogène. Dans cette thèse, la solution alternative proposée est constituée d’un module de puissance (MdP) membranaire. Il est principalement constitué d’un vaporeformeur de bioéthanol, d’un purificateur membranaire du reformat, d’une pile à combustible de type PEM, et d’un brûleur alimenté par les gaz non perméés à travers la membrane. L’avantage de l’utilisation d’une membrane de purification est de réduire considérablement le volume du système complet par rapport à un système de purification chimique. Dans ce travail, des simulations théoriques sur la base de différentes architectures de MdP ont montré l’intérêt indéniable d’un MdP membranaire par rapport à des MdP avec purification chimique en termes de rendement énergétique global et d’encombrement. De plus, un banc d’essai expérimental de reformage / purification membranaire a été conçu et monté, et les essais menés ont en particulier permis l’élaboration d’un modèle cinétique du vaporeformage de bioéthanol et de perméation de membrane, en vue du dimensionnement de ces unités. A partir de ces modèles, deux MdP membranaires optimisés l’un pour une application automobile, l’autre pour une application stationnaire ou portable de faible puissance sont proposés sur la base du meilleur compromis performance / encombrement
In the reduction of greenhouse gas emissions context, the use of hydrogen is a promising solution since it is a clean source of energy. Therefore, PEM fuel cells that convert hydrogen into electricity by an electrochemical way, appear to be a future alternative for automotive, portable or stationary applications. Because the storage and distribution of hydrogen actually still show difficulties, the on-board hydrogen production from bio-ethanol reforming – an environmentally friendly fuel – is an alternative solution. Therefore, a new kind of power plant has been designed in this work. It is mainly made up of a bio-ethanol steam reforming unit, a reformate purification system based on a hydrogen permeating membrane, a PEM fuel cell and a burner fed by the non-permeated gases. The benefit of using a membrane instead of a classical chemical purification way is that it considerably reduces the volume of the system. In this work, theoretical simulations of different architectures of power plants have shown the interest of using a membrane power plant instead of a chemical purification power plant in terms of global energetic yield and dimensions. Furthermore, an experimental setup made of reforming and membrane purification units has been designed and built, and experiments have been carried out to develop a kinetic model of the bio-ethanol steam reforming and a permeance model, in order to design these units. Based on these models, two membrane power plants are proposed: the first one is optimized for automotive application; the second one is optimized for stationary or small portable power use, with the best compromise between performance and dimensions

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Merle, Agnès. "Etude de catalyseurs à base de platine pour électrodes de piles à combustible à membrane échangeuse de protons." Lyon 1, 1996. http://www.theses.fr/1996LYO10125.

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Abstract:

Le developpement des piles a combustible a membrane echangeuse de protons pour des vehicules electriques necessite une minisation de la quantite de platine utilisee dans les electrodes. Ainsi le platine est depose sur differents supports selon deux methodes: l'echange cationique et l'impregnation. Les catalyseurs sont etudies electrochimiquement avec une electrode tournante a disque. L'etude de la reduction de l'oxygene a montre que l'activite specifique du platine augmente avec la taille des particules. L'ajout d'un promoteur (palladium, ruthenium) a permis de multiplier la densite de courant d'echange par vingt et huit respectivement. Pour l'oxydation de l'hydrogene, l'activite electrocatalytique est meilleure avec des particules de diametre egal ou superieur a deux nm. De plus, cette activite diminue quand on augmente la teneur en platine. L'ajout de palladium (quarante pour cent) ou de ruthenium (vingt-deux et soixante dix-huit pour cent) a permis d'obtenir une activite maximale

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Osuna, Sanchez Hector. "Étude et modélisation d’un réacteur de production d‘hydrogène par décomposition catalytique du méthane." Lyon 1, 2005. http://www.theses.fr/2005LYO10028.

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Abstract:

L'objectif de ce travail est l'étude de la faisabilité d'un procédé de production d'hydrogène sans monoxyde de carbone par craquage catalytique du méthane en mode de fonctionnement périodique. Le catalyseur (Pt/CeO2/Al2O3) est disposé dans un lit fixe à l'intérieur d'un réacteur tubulaire. Trois catalyseurs ont été testées et comparées. Le fonctionnement périodique se compose de deux étapes. La première étape consiste à injecter du méthane produisant de l'hydrogène et accumulant des espèces carbonées dans le support par un phénomène de transfert entre le platine et la cérine (CeO2). Cette étape entraîne une désactivation du catalyseur. La deuxième étape consiste à régénérer le catalyseur par élimination des espèces carbonées adsorbées au moyen d'une oxydation sous air. Le montage a permis de réaliser des tests avec environ 25 g de catalyseur (hauteur de lit, 25 cm; diamètre interne du tube, 1 cm). Les débits de gaz sont de l'ordre de 1 NL/min. Les produits gazeux observés sont H2, H2O, CO2 et CO. La taille de grains de catalyseur (300-400 µm) induit une faible perte de charge. Les paramètres influençant la conversion du méthane et le rendement en hydrogène sont: la température de travail, la durée des cycles et le rapport entre les quantités de méthane et d'oxygène injectés. La température du tube et du catalyseur ont été aussi mesurées afin de connaître les gradients thermiques radiaux en vue d'un dimensionnement de réacteur. Les pics de températures observés lors de l'étape de régénération (T ≈ 80 K) déconseillent des diamètres supérieures au centimètre. La production en hydrogène obtenue est faible est les teneurs maximales en CO sont élevées lors de l'étape de craquage, ce qui semble condamner à court terme de procédé. Avec les données obtenues, un modèle cinétique représentant les résultats expérimentaux a été proposé

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Desaunay, Thomas. "Approche théorique et expérimentale pour la conception de nouveaux catalyseurs à base de CeO2 pour l'anode des piles à combustible." Paris 6, 2012. http://www.theses.fr/2012PA066575.

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Abstract:

La conception de nouveaux matériaux pour les piles à combustible à oxydes solides (SOFCs) est nécessaire afin de répondre aux enjeux actuels : abaissement de la température de fonctionnement, utilisation de métaux non précieux, flexibilité d’utilisation du carburant ou encore résistance à la dégradation. A ces fins, une double approche expérimentale et théorique a été menée afin de caractériser les propriétés fondamentales de l’oxyde de cérium. Ce matériau a démontré de bonnes performances en tant qu’espèce électrochimiquement active à l’anode des SOFCs. Il a été synthétisé en couches minces denses, conformes aux substrats et présentant une excellente qualité cristalline par dépôt en couches atomiques (ALD), ainsi que par des méthodes bas-coût en bain chimique (CBD). Des nanoparticules d’oxyde de cérium présentant des états de surfaces bien définis ont également été synthétisées afin de permettre une étude fondamentale des surfaces. Les données expérimentales et de chimique théorique ont permis de déterminer que la surface (111) était la plus stable, tandis que la réactivité des surfaces vis-à-vis de la réaction d’oxydation de l’hydrogène suivait l’ordre (100) > (110) > (111). Ces résultats ouvrent la voie vers la conception de catalyseurs aux états de surface contrôlés pour l’anode des SOFCs
Design of new materials for solid oxide fuel cells (SOFCs) is required in order to address the current challenges: lowering of the working temperature, use of none precious metals, fuel flexibility or resistance to deterioration. For these purposes, an approach combining experiments and theory was conducted in order to characterize the fundamental properties of cerium oxide. This material has shown good performances as an electrocatalytic catalyst at the anode of SOFCs. It was processed in the form of thin layers, dense, conformal to the substrates and showing an excellent crystalline quality by atomic layer deposition (ALD), as well as by cost-effective methods such as chemical bath deposition (CBD). Moreover, nanoparticles of cerium oxide exposing well-defined surfaces were synthesized in order to enable a fundamental study of these surfaces. Experimental and theoretical chemistry data shown that the (111) surface is the most stable, while the reactivity of the surfaces toward hydrogen oxidation shows the order (100) > (110) > (111). These results pave the way to the design of shape-controlled catalysts for SOFC anode

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Upasen, Settakorn. "Stabilité chimique et structurale de pérovskites céramiques de conductrice protoniques pour piles à combustible et électrolyseurs." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066270/document.

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Abstract:

La stabilité structurale et chimique de céramiques bien densifiées candidates pour leur utilisation comme électrolyte ou matériau d'électrode de piles à combustible, électrolyseur H2/air ou même de convertisseur CO2/Hydrocarbures a été étudiée vis-à-vis de l'eau sous pression (autoclave, eau pauvre ou saturée en CO2). La pressurisation maximise l'efficacité des dispositifs. Quatre familles de pérovskites ont été considérées: BaCe0.4Zr0.5Y0.1Zn0.04O3- (BCZYZ), SrZr0.9Er0.1O3- (SZE), Ln2NiO4+ (LNO, Ln = La, Pr, Nd), and La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3- (LSCF6428). Les céramiques denses sont traitées à 550°C en autoclave plusieurs jours à plusieurs semaines, soit dans des conditions de fonctionnement ( 20 bar, eau sans CO2, 550°C), soit en vieillissement accéléré ( 40 bar eau sans ou saturée de CO2, 550°C). Les céramiques ont été analysées avant et après 'protonation' par Microscopie Optique, Thermogravimétrie, Expansion Thermique, (micro/macro) ATR FTIR, Raman micro-Spectroscopie, diffraction des rayons X et des neutrons. En condition de fonctionnement ( 20 bar), la stabilité des matériaux d'électrodes LNO/LSCF6428 et de l'électrolyte SZE est bonne, alors que la céramique BCZYZ se corrode. La céramique LSFC6428 soumis à des conditions sévères (eau saturée en CO2, 40 bar) est 5 à 30 fois moins corrodée que les composés LNO and SZE. La corrosion s'initie en surface, aux joints de grains. La protonation modifie plus ou moins la symétrie, le volume et les paramètres de la maille unitaire ainsi que les transitions de phase en relation avec la modification de la distribution/organisation des lacunes d'oxygène. Le niveau de dopage en proton des différents matériaux est aussi discuté
The chemical and structural stability of well-densified ceramics potentially used as H2/air fuelcell/electrolyzer (and perhaps in CO2/Hydrocabons Converter) electrolyte or electrodes vs. CO2-free/saturated pressurized water has been studied. The pressurization maximizes the efficiency of theenergy conversion systems. Four types of pervoskite-related oxide ceramics were concerned:BaCe0.4Zr0.5Y0.1Zn0.04O3-d (BCZYZ), SrZr0.9Er0.1O3-d (SZE), Ln2NiO4+d (LNO, Ln = La, Pr, Nd), andLa0.6Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-d (LSCF6428). Dense ceramic samples were exposed at 550°C to water vaporpressure in an autoclave for days to weeks. The protonation treatments were performed in twodifferent conditions: operating condition (£20 bar of CO2-free water pressure, 550°C) and acceleratedaging conditions (³40 bar of CO2-free/CO2-saturated water pressure, 550°C). The pristine and‘protonated’ samples were characterized using various analysis techniques: Optical Microscopy,Thermogravimetry, Thermal Expansion, (micro/macro) ATR FTIR, Raman micro-spectroscopy, X-rayand Neutron Scattering. The study reveals that under the operating condition (£20 bar), the stability ofLNO/LSCF6428 electrode materials and of SZE electrolyte appears good, while the BCZYZelectrolyte exhibit significant corrosion. The superior stability of LSFC6428 exposed in extreme CO2-water vapor atmosphere was demonstrated about 5 to 30 times better than LNO and SZE homologues.The surface secondary phases form at the grain boundary. The protonation modifies more or less thestructure symmetry, the unit-cell volume/parameter and the phase transition sequence in relation withthe modification of the oxygen vacancy distribution. The proton doping level for different samples isalso discussed

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Rodriguez, Julien. "Production d'hydrogène par photocatalyse et conversion électrochimique dans une pile à combustible." Phd thesis, Université de Grenoble, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00978688.

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Abstract:

Le contexte énergétique actuel est favorable au développement de sources renouvelables d'énergie électrique. Cette étude reporte l'alimentation directe d'une pile à combustible à membrane échangeuse de proton par de l'hydrogène issue de réactions photocatalytiques de reformage et de déshydrogénation d'alcools. Le méthanol est utilisé comme molécule modèle. La vitesse de production en hydrogène a été optimisée en jouant sur des paramètres intrinsèques aux systèmes photocatalytiques, telles que la concentration en catalyseur (TiO2), la teneur en cocatalyseur (nanoparticules de platine), l'influence du flux de photons, la température, la vitesse d'agitation ou encore le choix du photocatalyseur. Aussi, une méthode de synthèse hydrothermale permettant l'obtention d'une grande variété de TiO2 monophasiques et polyphasiques, avec des compositions et des structures cristallines différentes, a été utilisée. Le dépôt du cocatalyseur (Pt) a été appliqué à partir de différentes méthodes (photodépôt, imprégnation à humidité naissante et à échange d'ions). Les activités photocatalytiques des catalyseurs ont été reliées à leurs propriétés physicochimiques. Les performances de la pile à combustible sous hydrogène photocatalytique, ont été suivies. Finalement, une expérience réalisée directement sous irradiation solaire a permis de maintenir une puissance électrique, ramenée à la surface optique des photoréacteurs, de 1 mW.cm-2 sur plusieurs heures.

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Raugel, Ewen. "Etude théorique, expérimentale et numérique des piles à combustible anaérobies confinées en vue d'applications offshore." Paris, ENMP, 2004. http://www.theses.fr/2004ENMP1240.

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Stepanek, Ingrid. "Contribution à l'étude du stockage de l'hydrogène dans les nanotubes de carbone." Montpellier 2, 2001. http://www.theses.fr/2001MON20087.

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Candusso, Denis. "Contribution à l'expérimentation de générateurs à piles à combustible de type PEM pour les systèmes de transport." Habilitation à diriger des recherches, École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00802373.

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Abstract:

Le mémoire porte sur l'expérimentation de piles à combustible (PAC) de type PEM (à membranes échangeuses de protons, ou à membranes polymères) destinées à trouver des applications dans les systèmes de transport. Le document proposé commence par donner un aperçu des principales problématiques liées aux transports et à l'énergie. L'objectif essentiel est d'indiquer, dans ce contexte, la pertinence d'une recherche finalisée sur les systèmes PAC et l'hydrogène, avec des travaux à mener qui s'inscrivent nécessairement dans la durée. Vient ensuite une présentation scientifique et technique des générateurs PAC de type PEM ; l'accent est alors mis sur les aspects les plus " système " de ces objets. Le concept d'hybridation par des organes de stockage tampon de l'énergie électrique (batteries et supercondensateurs) est mis en avant. Le document offre aussi une description de moyens originaux disponibles sur la plateforme PAC de Belfort en termes de matériels (bancs, instruments), de méthodes (plans d'expérience) permettant de caractériser des PAC aux puissances significatives pour les applications véhicule. Des exemples d'expérimentations spécifiques à l'application véhicule sont proposés ; les essais menés conduisent à dupliquer en laboratoire les conditions d'essais de l'environnement transport (sollicitations en dynamiques de courant, contraintes climatiques et vibratoires). Les aspects majeurs de la durée de vie, de la fiabilité et du diagnostic des systèmes PAC font l'objet du dernier chapitre du document. Le mémoire s'appuie sur un ensemble de travaux présentant une forte composante expérimentale, justifiée par la nécessaire détermination des performances des piles existantes, par l'évaluation de leurs durées de vie et de leurs modes de défaillance sous les contraintes réelles des applications embarquées. La démarche scientifique adoptée mêle étroitement expérimentation, analyse des phénomènes et diagnostic, modélisation de l'expérience et modélisation physique.

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Marty, Philippe. "Procédé et dispositif de génération d'hydrogène par conversion à haute température avec vapeur d'eau." Perpignan, 2002. http://www.theses.fr/2002PERP1140.

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Abstract:

Ce travail s'inscrit dans le cadre de la génération d'hydrogène par reformage non catalytique de combustibles, à haute température, en vue de l'alimentation d'une pile à combustible H2/02 de type PEM pour une application transport. Il constitue une alternative à l'utilisation de catalyseurs. Le reformage thermique proposé supprime les problèmes d'empoisonnement et de formation de coke liés aux systèmes catalytiques de reformage et permet dans le même temps de réaliser un système de reformage acceptant tous types de combustibles, sans avoir à adapter un catalyseur aux molécules de combustibles à reformer. La comparaison des différentes filières de production d'hydrogène (oxydation partielle, vapo-reformage et vapo-reformage autotherme) est effectuée à partir des contraintes imposées par la pile PEM et des résultats de calculs sur les réactions stoechiométriques. Elle aboutit au choix du vapo-reformage hybride (VRH), bien adapté aux caractéristiques de la pile PEM et permettant une optimisation énergétique du système constitué par le reformeur et la pile PEM. L'utilisation d'un modèle de cinétique chimique adapté au VRH du propane permet de déterminer les niveaux de température et les temps de séjour nécessaires pour réaliser la réaction de VRH sans catalyseur et pour éviter la persistance de méthane, d'hydrocarbures non méthaniques et d'hydrocarbures polycycliques aromatiques dans le mélange riche en hydrogène. A partir de ces résultats, une procédure de définition d'un reformeur non catalytique est donnée et est appliquée pour la conception d'une première maquette de VRH de propane. Les résultats expérimentaux obtenus sur une maquette (composition volumique, températures du reformat et des parois) sont présentés et comparés aux résultats des calculs effectués lors de la phase de conception
This work deals with the field of hydrogen generation by non catalytic fuel reforming, at high temperature, with the aim to feed a PEM type H2/02 fuel cell for transport applications. It appears as an interesting alternative to the use of catalysts. Indeed, the proposed thermal reforming eliminates the poisoning and coke formation problems associated with catalytic reformers. Besides, it enables the realisation of a reforming system that accepts all types of fuels, without the need to adapt a specific catalyst to the fuel molecules to be reformed. The comparison of the different hydrogen production processes (partial oxidation, steam-reforming and autothermal reforming) is done considering the constraints imposed by the PEM fuel cell and the results of calculations on stoichiometric reactions. It results in the choice of the hybrid steam-reforming (HSR) process, which fits very well to the characteristics of the PEM fuel cell and enables an energetic optimisation of the whole system. A chemical kinetic model adapted to the propane HSR process is used to identify the temperature levels and residence times necessary to proceed the HSR reaction withou catalyst and to avoid the persistence of methane, non methanic and polycyclic aromatic hydrocarbons in the hydrogen-rich mixture. From the results, a procedure is given to define a non catalytic reformer. This procedure is applied for the design of a first laboratory-scale HSR reactor fed with propane. Experimental results (chemical composition, reformate and wall temperatures) are presented and compared with the results of the calculations done during the design phase

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Passot, Sylvain. "Etude expérimentale et par modélisation de l'impact d'impuretés de l'hydrogène sur le fonctionnement des piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC)." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00813426.

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Abstract:

Les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) sont sensibles aux polluantsde l'hydrogène et de l'air. Cette étude s'est focalisée sur l'impact du monoxyde de carbone (CO) et dusulfure d'hydrogène (H2S), deux polluants majeurs dans l'hydrogène (H2), suivant une approchecombinant expériences et modélisation.Le volet expérimental a consisté à étudier l'effet de la concentration des polluants individuels et enmélange et des chargements en catalyseurs, pour différents modes de fonctionnement. Cette étude amis en lumière un impact sur les deux électrodes (anode et cathode) dû à la distribution hétérogènedes polluants à la surface de l'anode et à la désactivation de la partie de la cathode en regard. Deplus, dans le cas d'un empoisonnement par H2S, cette étude a montré que la tension de cellule atteintun état quasi-stationnaire, en mode galvanostatique, ce qui n'avait jamais été mis en évidence dans lalittérature.Dans l'approche de modélisation multi-échelles, le couplage de l'électrochimie et de la fluidique ainsique le développement de différentes " briques " du modèle ont permis de perfectionner la descriptiondes phénomènes physico-chimiques. Le modèle permet maintenant de simuler le fonctionnementd'une cellule de pile à combustible dans les conditions opératoires réelles, en intégrant les cinétiquesd'empoisonnement du platine par CO et H2S.Enfin, la comparaison des données expérimentales et des simulations a montré des résultats trèssatisfaisants appuyant certains arguments pour l'interprétation de l'impact des impuretés de H2.

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Ngo, Biboum Bimbong Rosa. "Polyoxométallates et chimie verte : molécules et matériaux nanostructurés pour la conversion de l'énergie et l'environnement." Phd thesis, Université Paris Sud - Paris XI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00612028.

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Abstract:

Ce mémoire porte sur la synthèse de matériaux composites nanostructurés à base de polyoxométallates pour la conversion de l'énergie et des applications à des problèmes environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux composés nouveaux de cette famille d'oxydes moléculaires ont été synthétisés puis ont été associés à différentes matrices éco-compatibles dans le respect des principaux critères de la Chimie Verte. Les principales techniques d'étude sont l'électrochimie, la photochimie et la spectroscopie UV-visible. Dans le domaine de l'énergie, les catalyseurs obtenus se sont révélés très efficaces dans des réactions très importantes mais difficiles à réaliser, comme la production de l'hydrogène, la réduction de l'oxygène et l'oxydation de l'eau. De même, parmi les applications aux problèmes de dépollution, ces nanomatériaux ont montré une forte activité électrocatalytique et photocatalytique pour la réduction des oxydes d'azote, des bromates et la photodégradation d'un colorant textile toxique, l'Acide Orange 7. Les performances de ces nouveaux catalyseurs sont comparables à celles des meilleurs systèmes connus.

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Gagnon-Thibault, Évelyne. "Synthèse et caractérisation de matériaux polymères poreux pour le stockage d'hydrogène." Thesis, Université Laval, 2012. http://www.theses.ulaval.ca/2012/29167/29167.pdf.

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Dupont, Céline. "A model surface approach to CO oxidation aiming at the purification of H2 combustible : the Pt3Sn(111) surface investigated by HREELS, PM-IRRAS and DFT." Lyon, École normale supérieure (sciences), 2008. http://www.theses.fr/2008ENSL0464.

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Abstract:

Les piles à combustibles représentent une alternative prometteuse au pétrole. L'énergie y est produite par oxydation de l'hydrogène, usuellement sur un catalyseur de platine. Cependant la grande affinité entre monoxyde de carbone (polluant de H2) et le platine conduit à l'empoisement du catalyseur. Une solution proposée est l'utilisation de catalyseurs bimétalliques permettant l'oxydation sélective de CO en présence d'un excès d'H2 (PROX). Nous étudions ici les deux terminaisons connues de l'alliage Pt3Sn(111). Les sites préférentiels et les propriétés vibrationnelles de CO, o, o2 et CO+CO2 sont tout d'abord considéré par une double approche théorique (DFT) et expérimentale (HREEELS, PM-IRRAS). La réactivité est ensuite envisagée : dans un premier temps, les actes élémentaires de l'oxydation de CO sont étudiées par DFT et spectrométrie de masse. Finalement une étude préliminaire du PROX est réalisée pour expliquer la plus grande efficacité de Pt3Sn(111) par rapport à Pt(111)
An interesting solution to produce clean energy ist the use of fuel cells, in which hydrogen is oxidized on a platinium catlyst. However, H2 is usually polluted by carbon monoxide, a catalyst poison, due ton the strong CO/Pt affinity. In order to achieve the Preferential Oxydation of CO in presence of a large excess of H2 (PROX), bimetallic alloys are a promising solution. In this work, the adsorption and vibrational properties of the intermediate involved in CO oxidation are addressed on both terminations of the Pt3Sn(111) alloy. First preferential sites antd relative stabilities of CO, O, O2 and CO + O2 adsorbates are investigated from a combined experimental (HREELS, PM-IRRAS) and theorical (DFT) study. Then, the elementary acts of CO oxidation are explored by DFT and mass spectrometry. Last the PROX mechanism is considered theoretically and preliminary experimental results are presented, leading ton an explanation of the higher efficiency of Pt3Sn(111) compared to Pt(111)

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Guenot, Benoit. "Etude de matériaux catalytiques pour la conversion électrochimique de l'énergie Clean hydrogen generation from the electrocatalytic oxidation of methanol inside a proton exchange membrane electrolysis cell (PEMEC): effect of methanol concentration and working temperature Electrochemical reforming of Dimethoxymethane in a Proton Exchange Membrane Electrolysis Cell: a way to generate clean hydrogen for low temperature fuel cells." Thesis, Montpellier, Ecole nationale supérieure de chimie, 2017. http://www.theses.fr/2017ENCM0004.

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Abstract:

L’hydrogène est un vecteur énergétique prometteur réalisant une très bonne synergie avec l’exploitation des sources d’énergie intermittentes telles que le solaire ou l’éolien. Le développement de ses moyens de production et de conversion électrochimique représente un enjeu majeur dans le contexte de transition énergétique dans lequel nous vivons aujourd’hui. Les piles à combustible et les électrolyseurs utilisant la technologie PEM (Membrane Echangeuse de Protons) sont des systèmes électrochimiques de conversion de l’énergie matures tandis que les systèmes réversibles capables de remplir ces deux fonctions – les piles à combustible régénératrices unitaires – sont encore à l’état de développement. Leur principal verrou technologique est la conception d’une électrode bifonctionnelle à oxygène. Les matériaux catalytiques mis en œuvre dans ces systèmes sont principalement des métaux nobles et il convient d’en réduire autant que possible la charge massique dans les électrodes pour diminuer le coût des systèmes. Trois aspects complémentaires ont été développés lors de ces travaux de thèse. D’une part, des oxydes d’iridium et de ruthénium ont été élaborés par voie hydrothermale afin de catalyser la génération d’oxygène en fonctionnement électrolyseur. D’autre part, des catalyseurs à base de platine supportés sur des matériaux non carbonés, en particulier le nitrure de titane, ont été synthétisés par des voies colloïdales, afin de catalyser la réduction de l’oxygène en fonctionnement pile à combustible. L’association de ces matériaux est une première étape vers la conception d’une électrode bifonctionnelle à oxygène. Le troisième point se concentre sur la production de l’hydrogène et propose une alternative à l’oxydation de l’eau. L’oxydation électrochimique de composés organiques tels que le méthanol ou le diméthoxyméthane à l’aide de catalyseurs à base de platine et de ruthénium métallique permet la production d’hydrogène de grande pureté avec une consommation d’énergie électrique moindre par rapport à l’électrolyse de l’eau
Hydrogen is a promising energy vector, particularly for energy storage from intermittent energy sources such as solar or wind. The development of its production methods and its electrochemical conversion represents a major challenge in the context of energy transition in which we live nowadays. Fuel cells and electrolyzers using PEM technology (Proton Exchange Membrane) are mature electrochemical energy conversion systems, while reversible systems capable of performing both functions – unitized regenerative fuel cells – are still in the early stage of development. Their main technological bottleneck is the design of a bifunctional oxygen electrode. The catalytic materials used in these systems are mainly noble metals and it is necessary to reduce as much as possible their loading in the electrodes to decrease the system cost. Three complementary aspects have been developed during this thesis. On the one hand, iridium and ruthenium oxides have been prepared by hydrothermal treatment in order to catalyze the oxygen evolution under electrolyzer operation. On the other hand, platinum-based catalysts supported on non-carbonaceous materials, especially titanium nitride, have been synthesized by colloidal routes, in order to catalyze the oxygen reduction under fuel cell operation. The combination of these materials is the first step towards the design of a bifunctional oxygen electrode. The third topic focuses on the production of hydrogen and proposes an alternative to the oxidation of water. The electrochemical oxidation of organic compounds such as methanol or dimethoxymethane using platinum and ruthenium based catalysts allows producing clean hydrogen with a lower electrical energy consumption compared to the electrolysis of water

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Huo, Da. "Impact de la nanostructuration sur la diffusion de l’hydrogène étudiée par une approche multi-échelle dans le matériau pyrochlore La₂Zr₂O₇ dopé Sr." Thesis, Châtenay-Malabry, Ecole centrale de Paris, 2015. http://www.theses.fr/2015ECAP0046/document.

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Abstract:

Face aux demandes croissantes en énergie, la tendance mondiale est au développement des énergies non émettrices de gaz à effets de serre. Dans ce contexte, plusieurs technologies de piles à combustibles utilisant l’hydrogène ont été développées. Le souhait d’abaisser les températures de fonctionnement des SOFC a conduit à s’intéresser au concept des piles PCFC dont la conduction ionique de l’électrolyte est assurée par l’hydrogène au lieu des anions oxydes. Les composés pyrochlores A₂B₂O₇ sont des candidats prometteurs comme matériaux d’électrolyte de PCFC.Il s’avère toutefois indispensable de comprendre les mécanismes de diffusion de l’hydrogène dans ces matériaux avant d’orienter les recherches vers la mise au point d’un matériau électrolyte performant. Dans ce travail, une approche multi-échelle est employée pour étudier l’impact de microstructure sur les propriétés de conduction protonique du matériau modèle La₂Zr₂O₇ dopé Sr. Pour ce faire, plusieurs voies de synthèse ont été utilisées afin d’obtenir des morphologies de poudres différentes.A l’échelle nanométrique, les études structurales menées par diffraction des rayons X puis des études par spectroscopie Raman et spectroscopie de pertes d’énergie des électrons (EELS) ont montré que la structure basse température étaient une structure pyrochlore désordonnée. Cette dernière s’ordonne lors de recuit thermique.Les techniques d’analyses par faisceau d’ions ont permis de sonder à l’échelle micrométrique les profils de concentration en hydrogène des matériaux préalablement hydratés. La quantité d’hydrogène incorporé dépend de la densification de la pastille.Les mesures par spectroscopie d’impédance ont permis d’obtenir des informations à l’échelle macroscopique du comportement électrique des matériaux. Une conductivité protonique a été mise en évidence sous atmosphère humide. Cette conductivité est fortement dépendante non seulement de la méthode d’élaboration des matériaux mais aussi des procédés de densification utilisés
Due to the increase of energy demand and environmental issues of fossil energy, many researches are moving towards green energy. In this context, several technologies using hydrogen have been developed. To reduce the working temperature of SOFC fuel cell, the concept of PCFC is emerging. The ionic conductivity is due to hydrogen instead of oxide anions. The A₂B₂O₇ compounds are promising candidates as electrolyte materials for PCFC. However, it appears necessary to understand the hydrogen diffusion mechanisms in these materials before to investigate news materials with best properties. In this work, a multi-scale approach is performed to study the impact of microstructure on proton-conducting properties in Sr doped La₂Zr₂O₇ as model material. Several synthetic routes have been used to obtain powders with different morphologies.At the nanometric scale, studies by X-ray diffraction, then by Raman spectroscopy and electron energy loss spectroscopy (EELS) have shown that the low temperature structure were disordered a pyrochlore structure. The latter is ordered during thermal annealing. At the micrometric scale, ion beam techniques allowed us to get the hydrogen concentration profiles on the previously hydrated materials. The amount of incorporated hydrogen depends on the densification processes. At the macroscopic scale, impedance spectroscopy measurements were used to obtain information on the electrical behavior of materials. Evidence of proton conductivity has been demonstrated in wet atmosphere. This conductivity is highly dependent not only on the sample preparation but also on processes densification used

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Vichard, Loic. "Contribution à l’étude du vieillissement des composants batterie et pile à combustible en usage réel." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2019. http://www.theses.fr/2019UBFCA018.

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Abstract:

Les travaux de thèse sont associés au projet AsDeCoEUR (Analyses De Composants Energétiques en Usage Réel). Ce projet s’inscrit dans le contexte actuel de la mise en œuvre des nouvelles technologies de l’énergie pour la mobilité et porte plus spécifiquement sur l’étude des composants batterie et pile à combustible situés au coeur des chaines de traction électriques. Le projet souhaite s’appuyer sur les travaux déjà réalisés par les acteurs UTBM et IFSTTAR de la fédération de recherche FCLAB dans le projet Mobypost qui a permis l’expérimentation en usage réel sur deux sites de La Poste en région Franche-Comté d’une flotte de 10 véhicules électriques à pile à combustible et batterie.Pendant l’expérimentation Mobypost, tous les véhicules du projet enregistrent les nombreuses données physiques de leur chaine de traction. L’ensemble de ces informations constitue aujourd’hui une base très riche à exploiter. Dans le projet AsDeCoEUR, nous proposons une démarche scientifique menée autour d’un travail de thèse visant à comprendre le comportement dynamique, d'étudier le vieillissement et d'estimer l'état de santé des composants énergétiques batterie et pile à combustible en usage réel. Cette démarche est basée sur l’analyse des données enregistrées sur ces composants dans le projet Mobypost et est renforcée par des expérimentations spécifiques et maitrisées en laboratoire. La mise en oeuvre des compétences et des outils d’analyse numériques développés notamment pour les batteries par le laboratoire Ampère et l’IFSTTAR vise à comprendre et reproduire les phénomènes de dégradation des composants étudiés. Les travaux permettent au final, en associant les compétences des enseignants-chercheurs et chercheurs de l’UFC, de l’UTBM, de l’IFSTTAR et du laboratoire Ampère sur ce sujet, de contribuer à l’étude du vieillissement et d'estimer l'état de santé en usage réel des batteries et des piles à combustible ce qui constituent une avancée remarquable dans ce domaine, notamment en vue de l’industrialisation de véhicules équipés de ce type de composants
These thesis works are associated to the AsDeCoEUR project. This project is part of the current context of the development of new energy technologies for mobility and focuses more specifically on the study of battery and fuel cell components located in the heart of electric power train. The project is based on the work already carried out by the UTBM and IFSTTAR actors of the FCLAB research federation among the Mobypost project. Mobypost european project has allowed the experimentation of a fleet of 10 fuel cell electric vehicles under actual operating conditions on two postal platforms in the Franche-Comté region.During the Mobypost experiment, a deep monorting was performed on all the vehicles so numerous physical data of their power train were recorded. All of these information now constitutes a very rich database to exploit. Among the AsDeCoEUR project, we propose a scientific approach carried out around a thesis work wich aims at understanding dynamic behavior, studying aging and estimating the state of health of batteries and fuel cells in real use. This approach is based on the analysis of the data recorded on these components among the Mobypost project and is reinforced by specific experiments set up in the laboratory. The implementation of skills and digital analysis tools developed especially for batteries by the Ampère laboratory and IFSTTAR aims at understanding and reproducing the degradation phenomena. The works should finally allow, by combining the skills of UFC, UTBM, IFSTTAR and Ampère laboratory researchers, to contribute to the study of batteries and fuel cells aging and to estimate their state of health under actual operating conditions. This constitutes a remarkable advance in this field, particularly with a view to the industrialization of vehicles equipped with this type of component

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Ngo, Biboum Bimbong Rosa. "Polyoxométallates et chimie verte : molécules et matériaux nanostructurés pour la conversion de l’énergie et l’environnement." Thesis, Paris 11, 2011. http://www.theses.fr/2011PA112095/document.

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Abstract:

Ce mémoire porte sur la synthèse de matériaux composites nanostructurés à base de polyoxométallates pour la conversion de l’énergie et des applications à des problèmes environnementaux. Pour atteindre ces objectifs, de nombreux composés nouveaux de cette famille d’oxydes moléculaires ont été synthétisés puis ont été associés à différentes matrices éco-compatibles dans le respect des principaux critères de la Chimie Verte. Les principales techniques d’étude sont l’électrochimie, la photochimie et la spectroscopie UV-visible. Dans le domaine de l’énergie, les catalyseurs obtenus se sont révélés très efficaces dans des réactions très importantes mais difficiles à réaliser, comme la production de l’hydrogène, la réduction de l’oxygène et l’oxydation de l’eau. De même, parmi les applications aux problèmes de dépollution, ces nanomatériaux ont montré une forte activité électrocatalytique et photocatalytique pour la réduction des oxydes d’azote, des bromates et la photodégradation d’un colorant textile toxique, l’Acide Orange 7. Les performances de ces nouveaux catalyseurs sont comparables à celles des meilleurs systèmes connus
This thesis focuses on the synthesis of nanostructured composite materials based on polyoxometalates for energy conversion and applications to environmental problems. To achieve these goals, many new compounds of this family of molecular oxides were synthesized and were associated with different nature friendly matrices, in agreement with the main criteria of Green Chemistry. In the field of energy, the new catalysts have proved very effective in important but difficult to achieve reactions, such as producing hydrogen, oxygen reduction or water oxidation. Similarly, among applications to pollution problems, these nanomaterials have shown a strong electrocatalytic and photocatalytic activity for the reduction of nitrogen oxides, bromate and for the photodegradation of a toxic textile dye, Acid Orange 7. The performances of these new catalysts are comparable to those of the best known systems

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Gianotti, Elia. "High purity hydrogen generation via partial dehydrogenation of fuels." Thesis, Montpellier 2, 2014. http://www.theses.fr/2014MON20078/document.

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Abstract:

Ces travaux de thèse ont été développés dans un contexte de motivation générale de développement de modes de transport plus électrifiés et plus respectueux de l'environnement, dans le but de réduire considérablement les émissions de gaz à l'effet de serre. Plus particulièrement l'objectif de ce projet de thèse a été d'étudier la faisabilité d'un concept de génération d'hydrogène à bord, par déshydrogénation catalytique partielle (PDh) du carburant, permettent d'obtenir de l'hydrogène pour alimenter une pile à combustibles embarquée en replacement des unités de puissance auxiliaires. Dans un même temps le combustible qui n'est que partiellement déshydrogéné conserve ses propriétés et peut être réinjecté dans le pool de carburant. Cette thèse est divisée en deux grandes parties. Une première partie décrit les travaux de recherche sur la déshydrogénation partielle du kérosène pour la production d'hydrogène à bord d'un avion. Le choix du catalyseur est crucial, il doit permettre de produire de l'hydrogène de haute pureté sans compromettre les propriétés d'origine du kérosène. Des matériaux avancés, composés de métaux imprégnés sur des nouveaux supports ont été développés, caractérisés et évalués en tant que catalyseur dans la réaction de PDh. L'influence de la composition du catalyseur sur son activité, sélectivité et durée de vie ainsi que les mécanismes de désactivation ont été étudiés. Un matériau catalytique optimisé composé d'une phase active de 1% Pt - 1 % Sn (m/m) supporté sur une γ-alumine à porosité contrôlée, a permis une production d'hydrogène de 3500 NL•h-1•kgcat-1, avec une pureté de 97,6% vol. et un temps de vie de 79 h, ce qui correspond à une puissance électrique fournie par une pile à combustible de 3,5 kW.La deuxième partie du manuscrit décrit une étude sur le diesel et l'essence et sur la faisabilité de la génération d'hydrogène par PDh des carburants autres que le kérosène. Les résultats obtenus avec le même matériau sont encourageants et montre une application possible dans des domaines de transports autres que l'aviation. Les résultats les plus significatifs obtenus avec des substituts de gasoil et d'essence sont respectivement des valeurs de productivité d'hydrogène de 3500 et 1800 NL•h-1•kgcat-1 avec des temps de vie de 29 et 376 h et une pureté supérieur à 99 % vol. pour le deux
This thesis work have been developed in the general context of the development of more electrified and environmentally friendly means of transport, in order to significantly reduce greenhouse gases emissions. More specifically, the objective of this thesis project was to study the feasibility of the concept of on-board hydrogen generation by catalytic partial dehydrogenation (PDh) of fuel. The hydrogen produced serves to power a fuel cell system that replaces vehicles auxiliary power units. At the same time the fuel, that is only partially dehydrogenated, maintains its properties and can be re-injected into the fuel pool.This thesis is divided into two main parts. The first part describes the research on the PDh of kerosene to produce hydrogen on-board an aircraft. The choice of the catalyst is crucial: it should allow to produce high purity hydrogen without compromising the original properties of kerosene. Advanced materials, composed by metals impregnated on different supports, have been developed, characterized and evaluated as a catalysts in the reaction of PDh. The influence of catalyst composition on the activity, selectivity and stability as well as the deactivation mechanisms were studied. One of the optimized catalytic materials, composed of a 1% Pt - Sn 1% (w/w) active phase supported on a γ-alumina with controlled porosity, allowed a hydrogen production of 3500 NL•h-1•kgcat-1, with a purity of 97.6% vol. and a lifetime of 79 h, which corresponds to 3.5 kW of electric power supplied by fuel cells.The second part of the manuscript describes a study on diesel and gasoline and asses the feasibility of hydrogen generation by PDh of fuels different from kerosene. The results obtained with the previously mentioned catalyst are encouraging and show the possibility of applying this concept to other fields of transportation beside the aviation. The most significant results obtained with gasoline and diesel surrogates are respectively a hydrogen productivity value of 3500 et 1800 NL•h-1•kgcat-1 with lifetimes of 29 and 376 h and a purity that exceeds 99% vol. in both cases

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Guesnet, Laura. "Développement de nouvelles architectures de piles à combustible SOFC tout cérine pour un fonctionnement à température réduite." Thesis, Bordeaux, 2020. http://www.theses.fr/2020BORD0218.

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Abstract:

En employant de nouvelles architectures de cellules à oxyde solide (SOC - Solid Oxide Cells), il est possible d’en réduire la température de fonctionnement. L’objectif de cette thèse a donc été d’élaborer des mises en forme innovantes afin de diminuer le nombre d’étapes nécessaires à la fabrication de la cellule, permettant aussi d’en diminuer le coût : l’élaboration d’un support poreux/dense/poreux tout coulage en bande puis infiltration de catalyseurs pour l’obtention des électrodes est le procédé retenu. Le support poreux/dense/poreux a été exclusivement préparé à base de GDC10 (Ce0,9Gd0,1O2-δ) pour éviter les problèmes de réactivité entre les différentes couches. Au cours de cette thèse, deux méthodes de mises en forme ont été utilisées successivement: pressage/sérigraphie/infiltration (1) puis coulage en bande/infiltration (2). Dans chacun des cas, les paramètres de mises en forme ont été optimisés dans le but d’obtenir les meilleures performances électrochimiques. La méthode de mise à forme (1) a déjà fait l’objet d’une partie de thèse à l’ICMCB côté oxygène, mais elle a été perfectionnée côté hydrogène : couche de collectage, nature du catalyseur (NiO, CuO, cérine dopée yttrium), taux d’infiltration. Pour diminuer le nombre de cycles nécessaires et améliorer la qualité de l’imprégnation, une nouvelle technique a été employée : l’infiltration par voie supercritique. Dans le cas de la mise en forme (2), les paramètres propres à l’élaboration de la suspension (nature des additifs, nature des billes/jarre employées) et à celle des supports poreux/dense/poreux (cycles de déliantage/frittage) ont permis d’obtenir des résistances de polarisation très proches de celles obtenues grâce à la mise en forme (1), en dépit de résistances séries encore élevées sans doute en lien avec de pollutions résiduelles carbonées. Les paramètres finalement retenus sont : un dispersant de type ester phosphorique, 90% de graphite ajouté pour réaliser les squelettes poreux, un déliantage conduit à 800°C/6h sous O2 humide, et un frittage de l’ensemble à 1450°C/3h
When involving new solid oxide cells (SOCs) architectures, it’s possible to reduce their operating temperature. The objective of this thesis was therefore to develop innovative shaping processes in order to reduce the cell manufacturing steps number, also allowing to reduce their cost : the preparation of a porous/dense/porous support by tape-casting, then the infiltration of catalysts to obtain the electrodes was the chosen process. The porous/dense/porous support was only prepared with GDC10 (Ce0.9Gd0.1O2-δ) to avoid chemical reactivity issues between the various layers. During this thesis, two shaping methods were successively used: pressing/screen-printing/infiltration (1) then tape-casting/infiltration (2). In each case, the shaping parameters have been optimized in order to obtain the best electrochemical performances. The shaping method (1) was already part of a thesis topic at ICMCB regarding the oxygen side of the SOC, but it has been here improved regardin the hydrogen side: the collecting layer, the catalyst nature (NiO, CuO, yttrium doped ceria), infiltration rate. To reduce the number of required cycles and improve the impregnation quality, a new technique was used: the infiltration in supercritical medium. In the case of shaping (2), the specific parameters of the i) suspension preparation (additives nature, nature of the used balls/jar) and of the ii) porous/dense/ porous supports (debinding/sintering cycles) have made it possible to obtain polarization resistances very close to those obtained by shaping (1), despite slightly higher series resistances, probably in linkto some remaining carbon pollution. The parameters finally retained are: a phosphoric ester type dispersant, 90% of graphite added to shape the porous skeletons, a debinding performed at 800°C/6h under wet O2, and a whole sintering at 1450°C/3h

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Aiteur, Imad-Eddine. "Modélisation, commande et optimisation d’un réseau multi-sources. Application à la traction de véhicules électriques." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019SACLC047.

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Abstract:

Les travaux de cette thèse portent sur l’investigation d’approches de commande et de supervision permettant d’aborder la problématique de gestion d’énergie des réseaux électriques multi-sources. l’objectif souhaité était de proposer une démarche de conception de lois de commande pour ce type de système en vue de réguler la tension de sortie et de gérer d’une manière optimale les flux d’énergie entre les différentes sources et les consommateurs et au vu de minimiser la consommation d’hydrogène.A cette fin, deux configurations ont été envisagées :l’application d’approches à base d’un modèle statique et des stratégies à base d’un modèle dynamique de la PàC. Dans un premier temps, trois approches de gestion énergétique ont été appliquées au système visant à minimiser la consommation de masse d’hydrogène tout en respectant les contraintes physiques du système.Tout d’abord, l’optimisation est réalisée en utilisant une méthode d’optimisation hors ligne appelée la programmation dynamique. Deuxièmement, deux approches d’optimisation en ligne sont utilisées : stratégies ECMS et MPC. Une comparaison en termes de consommation d’hydrogène et de temps de calcul est réalisée.Dans un deuxième temps, une approche décentralisée de commande a été envisagée afin de tenir compte du modèle dynamique de la PàC dans la conception du superviseur. L’avantage de cette architecture réside dans sa capacité a aborder séparément chacune des problématiques dans l’optique de répondre aux différents objectifs de commande. Dans ce cadre, la régulation du système PàC et de l’état de charge de l’ESS est réalisée séparément avec deux contrôleurs différents, tous deux conçus en utilisant l’approche (MPC-LTV). Les troisième et quatrième niveaux de la structure de contrôle décentralisée consistent en des boucles de locale des courants de la PàC et de SC et un contrôle de tension du bus continu, conçu à l’aide de contrôleurs PI. La validation de la structure de contrôle est réalisée en simulation en utilisant un modèle non linéaire du système PàC.A la fin, les approches de commande conçues à base du modèle statique de la PàC (DP, ECMS et MPC) seront appliquées sur le modèle dynamique de cette dernière afin d’évaluer les performances de ces approches et d’en déduire des conclusions sur l’apport de l’intégration de la dynamique de la PàC dans la synthèse des lois de commande
This thesis focuses on the investigation of control approaches to treat the issue of energy management of multi-source electrical networks. The considered electric motor supply system consists on a fuel cell as a main energy source and an additional element that supplies peak power and charges by regenerative braking. At first, three energy management strategies have been applied to the sypply system aiming to minimize the fuel cell hydrogen mass consumption while satisfying the system physical constraints. First, the optimization is realized using dynamic programming,an off-line optimization method that requires the knowledge of the entire power load profile. Secondly, twoon-line optimization approaches are used : ECMS and MPC strategies, for which only the current power demand is demanded.The second part of this thesis presents a decentralized control strategy applied to the power system. The dedicated control structure aims to assure an optimal operation of the FC system while respecting the compressor physical limits and to control the converter current sand network output voltage. To attain these objectives, a dynamic model of the FC system is used,in addition to the SSE and electric network dynamics. The FC system regulation and the control of the SSE state of energy are performed separately with two different controllers, both designed using (MPC-LTV) approach. The third and fourth levels of the decentralized control structure consists on inner control loops for fuel cell/supercapacitor currents and a DC bus voltage control loop, designed using PI controllers. The validation of the control structure is performed in simulation using a nonlinear models of the FC system and the SSE. To validate and compare the performance of different control methods based on a fuel cell static model, these approaches have been applied to the dynamic model of the FC and compared to the results obtained by applying the approched designed and based on an FC dynamic model. A comparison in terms of network efficiency and hydrogen consumption has been done

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Arapova, Marina. "Synthesis and properties of the Ni-based catalysts for the valorization of ethanol and glycerol via steam reforming reaction for hydrogen production." Thesis, Strasbourg, 2017. http://www.theses.fr/2017STRAF031/document.

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Abstract:

Les trois familles catalytiques à base de perovskites contenant du Ni: massives [[LnFe1-x-yNiyMxO3-δ] (Ln=La, Pr; B=Co, Mn, Ru), sur support [mLnNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3] (Ln = La, Pr) et structuré [mLaNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3/mousses structurées] ont été synthétisés, caractérisés et testés dans les réactions de vaporeformage de l'éthanol et de glycérol. Les effets de la composition chimique et de la méthode de synthèse sur les propriétés structurelles et texturales, ainsi que sur la réductibilité des échantillons initiaux ont été évalués. L'utilisation préférentielle de Pr, Ni et Ru dans la composition de catalyseur a été démontrée pour toutes les familles. Le rôle essentiel de la modification du support γ-Al2O3 avec ≥ 10%mass de Mg introduit par imprégnation humide pour le catalyseur supporté a également été prouvé. Des catalyseurs de la composition optimale fournissant une activité élevée dans le vaporeformage de l'éthanol et du glycérol à T = 650 °C ont été trouvés: le meilleur catalyseur massif à base du précurseur PrFe0.6Ni0.3Ru0.1O3 fournit une activité élevée pendant au moins 7 h, grâce à la facilité de leur réduction et les propriétés d'oxydoréduction de l'oxyde de praséodyme formé. Les catalyseurs sur support 10-20% PrNi0.9Ru0.1O3/10-15%Mg-γ-Al2O3 fournissent le meilleur rendement en hydrogène (~ 90%) et la stabilité pendant ~ 20 heures. Le catalyseur structuré optimisé à base de la plaquette Ni-Al métallique fournit le rendement stable en hydrogène 80-87% dans l’oxy-vaporeformage d'éthanol dans les mélanges concentrés (concentration d'éthanol de 30%) dans un réacteur pilote pendant 40 heures. Les résultats obtenus rendent ces systèmes catalytiques structurés très prometteurs à utiliser dans les générateurs électrochimiques à base de piles à combustible avec l'utilisation de ressources renouvelables peu coûteuses comme bio-huile
The three catalytic families based on Ni-containing perovskites: massive [LnFe1-x-yNiyMxO3-δ] (Ln=La, Pr; B=Co, Mn, Ru), supported [mLnNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3] (Ln = La, Pr) and structured [mLaNi0.9Ru0.1О3/nMg-γ-Al2O3/structured foams] were synthesized, characterized and tested in the reactions of the ethanol and glycerol steam reforming. The effects of the chemical composition and synthesis method on the structural and textural properties, as well as on reducibility of initial samples were evaluated. The preferred use of Pr, Ni and Ru in the catalyst composition was shown for all families. The essential role of the effective γ-Al2O3 support modification with the ≥10 % wt. of Mg introduced by wetness impregnation for the supported catalyst was also proved. Catalysts of the optimal composition providing a high activity in steam reforming of both ethanol and glycerol at T= 650 °С were found: the best massive catalyst based on the PrFe0.6Ni0.3Ru0.1O3 precursor provides high activity for at least 7 hours, which is explained by the ease of their reduction and the oxidation-reduction properties of the praseodymium oxide formed. Supported 10-20% PrNi0.9Ru0.1O3/10-15%Mg-γ-Al2O3 provide the greatest yield of hydrogen (~ 90%) and stability for ~ 20 hours. Structured catalyst based on the metal Ni-Al platelet provides the yield of hydrogen 80-87% in oxy-steam and steam reforming of ethanol in the concentrated mixtures (ethanol concentration of 30%) in a pilot reactor for 40 hours. The results obtained make these structured catalytic systems very promising to use in electrochemical generators based on fuel cells with the use of inexpensive renewable resource – bio-oil

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Gentil, Solène. "Enzymes et catalyseurs bio-inspirés immobilisés sur électrodes nanostructurées pour l'élaboration de piles H2/air sans métaux nobles." Thesis, Université Grenoble Alpes (ComUE), 2017. http://www.theses.fr/2017GREAV058/document.

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Abstract:

Le développement de technologies de l’énergie alternatives à la combustion des ressources fossiles est un enjeu majeur pour réduire l’émission des gaz à effet de serre et développer une économie durable. Dans cette optique, les piles à combustible à membrane échangeuses de protons (PEMFC) utilisent le platine en tant que catalyseur pour transformer l’énergie chimique en énergie électrique, en réduisant l’oxygène de l’air en eau et en oxydant l’hydrogène en protons. Dans la nature, les enzymes à cuivre et les hydrogénases catalysent respectivement ces réactions. Ces dernières, ainsi que des complexes bio-inspirés de leur site actif, ont été envisagés en tant qu’alternatives au platine, métal noble et coûteux. Ainsi, un complexe mononucléaire bisdiphosphine de nickel renfermant des acides aminés arginines en troisième sphère de coordination a été immobilisé sur une matrice de nanotubes de carbone (NTCs). Cette anode a démontré d’excellentes performances pour oxyder l’hydrogène avec des densités de courant élevées et sur une large gamme de pH. Son utilisation dans une PEMFC a permis d’obtenir une densité de puissance de 15 mW.cm-2, seulement cinq fois inférieure à celle d’une pile classique à base de platine préparée dans les mêmes conditions. Concernant la catalyse de réduction de l’oxygène, des méthodes covalentes ont été développéespour réaliser la connexion électronique directe de laccase de Trametes sp C30, ainsi qu’un mutant de cetten enzymesur matrice de NTCs L’’association du catalyseur de nickel avec une cathode à base de bilirubine oxydase immobilisée sur NTCs a permis de proposer un nouveau concept de pile hybride enzymatique/bio-inspirée. Une densité de puissance de l’ordre de 1,8 mW.cm-2 et une force électromotrice proche de 1V ont ainsi été mesurées pour cette pile sans métaux nobles. Le greffage de complexes de cuivre mono- et dinucléaires, bio-inspirés du site actif d’enzymes à cuivre et actifs vis-à-vis de la réduction de l’oxygène a enfin permis d’élaborer la première pile H2/air ne renfermant que des catalyseurs moléculaires et sans métaux nobles. Cette dernière délivre une densité de puissance de 160 µW.cm-2
New energy technologies alternative to fossil fuels utilization is a key issue to mitigate greenhouse gases emission and develop a sustainable economy. In this context, platinum-based proton exchange membrane fuel cells use oxygen reduction reaction (ORR) and hydrogen oxidation reaction (HOR) to convert chemical energy into electrical energy. In nature multicopper oxidases and hydrogenases catalyze these two reactions, respectively. These enzymes and corresponding bioinspired catalysts have been used as alternatives to the rare and expensive platinum metal. First, a mononuclear bis-diphosphine nickel complex surrounded by arginine residues was immobilized onto carbon nanotubes (CNTs) and demonstrated excellent performances for HOR developing high current densities over a wide range of pH. This anode was integrated in a PEMFC, which achieved high power densities (15 mW cm-2), only five times lower as compared to classical PEMFC prepared under similar conditions. Regarding ORR catalysis, we covalently grafted LLaccases from Trametes sp C30 multicopper oxidases onto NTCs electrodes and achieved direct electron transfer. Using, bilirubin oxidase deposited on CNTs at the cathode side, we proposed a new concept of hybrid enzymatic/bio-inspired H2/air fuel cell. This hydrogen fuel cell delivered 1.8 mW.cm-2 and a high open circuit voltage of 1V. Finally, various copper complexes inspired from the active sites of copper enzymes were assessed for ORR and the first H2/air fuel cell containing noble metal-free molecular catalysts at both electrodes is reported, achieving 160 µW.cm-2 power density

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Teh, Siew Pheng. "Purification de l'hydrogène par l'oxydation préférentielle du monoxyde de carbone pour une application pile à combustible : développement de catalyseurs supportés sur monolithe, étude mécanistique et cinétique." Lyon 1, 2005. http://www.theses.fr/2005LYO10024.

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Abstract:

La pile à combustible alimentée par de l'hydrogène issu de la bio-masse est un système prometteur pour remplacer le moteur de combustion interne à base des carburants fossiles. La production embarquée d'hydrogène par reformage de bioéthanol répond aux critères d'une source d'hydrogène renouvelable, d'un transport et stockage aisé pour un carburant comme le bioéthanol et d'une émission nette de CO2 négligeable. Le taux de CO dans le flux d'hydrogène qui alimente la PAC doit être <10ppm pour éviter l'empoisonnement du catalyseur en Pt sur l'anode. Des catalyseurs de type monolithe ont été développés et testés sous la condition de PROX en présence de CO2 et H2O entre 100 et 300ʿC. Le système Pt/alumine présente une bonne activité et sélectivité en présence de H2O par rapport aux systèmes CuCeO2. . Différentes voies réactionnelles sont proposées après une étude du mécanisme par spectroscopie infrarouge in situ (DRIFTS). Une étude cinétique est réalisée sur ce catalyseur. Le réacteur de purification (PROX) a été développé et dimensionné en parallèle puis intégrés dans une unité pilote de puissance 5kWe, dans le cadre d'un contrat européen sur reformage du bioéthanol

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Collong, Sophie. "Conception des systèmes mécaniques complexes en comportement dynamique. Contribution à une démarche physico-fiabiliste à partir d'un système à pile à combustible pour véhicule électrique à hydrogène." Thesis, Belfort-Montbéliard, 2016. http://www.theses.fr/2016BELF0283/document.

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Abstract:

L ’intégration de systèmes mécaniques complexes soumis à des environnements vibratoirescontraignants nécessite de tenir compte, dès la conception, des sollicitations réelles d’usage.La thèse montre que l’environnement vibratoire ainsi que la durée d’exposition dépendent del’utilisation qui sera faite d’un système tout au long de son cycle de vie. L’ évaluation de sonl’utilisation repose sur l’ évolution conjointe du comportement des utilisateurs et du développementde la technologie du système.L’analyse de la sûreté de fonctionnement d’un système mécanique complexe a permis de considérerle système dans son ensemble et d’investiguer ainsi de fac¸on approfondie le comportementdynamique de composants critiques. La modélisation simple de systèmes mécaniques précisequalitativement et quantitativement les comportements dynamiques principaux et simule lessollicitations vibratoires auxquelles un composant critique identifié est soumis. Sur cette base, lamodélisation du comportement d’un composant mécanique permet d’ évaluer le dommage par fatiguequ’il subira. Cet indicateur apporte au concepteur une aide aux choix de la géométrie du composant.Enfin, l’environnement climatique ainsi que des impacts li ´es au fonctionnement interne du système,ont ´ et ´e pris en compte par la réalisation d’essais vibro-climatiques en fonctionnement. Ces étudesont été menées sur un système à pile à combustible intégré à un véhicule électrique à hydrogène.Elles ont permis de mettre au point un cheminement comme appui `a la conception des systèmesmécaniques complexes.Le cheminement pluridisciplinaire propos´e dans cette thèse repose donc sur l’interaction de travauxde recherche issus principalement des domaines de la sociologie, de la sûreté de fonctionnement etde la mécanique
The integration of complex mechanical systems subject to stringent vibration environments requiresconsideration of the real conditions of use from the beginning of the design phase.The thesis shows that the vibration environment and the duration of exposure to this environmentdepend on the use of the system throughout its life cycle. The evaluation of its use is based on thejoint evolution of both the user behavior and the system technology development.The dependability analysis of a complex mechanical system leads to consider the system as a wholeand thus to investigate in depth the dynamic behavior of critical components. A basic modeling ofthe mechanical system allows to qualitatively and quantitatively identify key dynamic behaviors anddetermines the vibration loads to which selected critical components are subjected. On this basis,modeling the behavior of a mechanical component leads to assess its fatigue damage. This indicatorhelps the designer in his choice of component geometry.Finally, the climatic environment as well as effects related to the internal functioning of the system,have been taken into account by performing vibro-climatic tests of on an operating systems, i.e. a fuelcell system integrated into a hydrogen electric vehicle. This helped to develop a procedure to supportthe design of complex mechanical systems

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Dessi, Paolo. "Mesophilic and thermophilic biohydrogen and bioelectricity production from real and synthetic wastewaters." Thesis, Paris Est, 2018. http://www.theses.fr/2018PESC2056/document.

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Abstract:

La fermentation sombre et les piles à combustible microbiennes (MFC) sont deux technologies émergentes respectivement pour la conversion biologique de l'énergie chimique des composés organiques en hydrogène (H2) et en électricité. En raison des avantages cinétiques et thermodynamiques, la température élevée peut être la clé pour augmenter à la fois la production d'H2 de fermentation sombre et la production d'électricité dans les MFC. Par conséquent, cette thèse se concentre sur la manière dont la température influence la production biologique de H2 et d'électricité à partir d'eaux usées contenant du carbone organique. Deux inocula traités thermiquement (à boues activées fraîches et digérées) ont été comparés pour la production de H2 à partir de xylose à 37, 55 et 70 °C. A la fois à 37 et 55 °C, on obtient un meilleur rendement en H2 par les boues activées fraîches comparé aux boues digérées tandis qu'un très faible rendement en H2 est obtenu par les deux inocula à 70 °C. Ensuite, quatre prétraitements d'inoculum différents (chocs acides, alcalins, thermiques et de congélation) ont été évalués pour créer une efficace communauté productrice de H2 mésophile (37 °C) ou thermophile (55 °C). Les chocs acides et alcalins ont sélectionné des micro-organismes producteurs de H2, appartenant aux Clostridiaceae, au détriment des bactéries produisant du lactate, ce qui a donné respectivement le rendement en H2 le plus élevé à 37 et 55 °C. Bien que le choc thermique ait abouti à un faible rendement en H2 dans un seul lot, il a été montré que la production de H2 par les boues activées fraîches traitées thermiquement augmentait dans l'expérience avec quatre cycles consécutifs. Des boues activées fraîches et traitées thermiquement ont été sélectionnées comme inoculum pour la production continue de H2 à partir d'une eau usée synthétique contenant du xylose dans un réacteur à lit fluidisé (FBR) mésophile (37 °C) et thermophile (55-70 °C, augmenté par étapes). Un rendement en H2 plus élevé a été obtenu dans le FBR thermophile que dans le FBR mésophile. En outre, la production de H2 à 70 °C, qui a échoué dans l'étude précédente, a été couronnée de succès dans le FBR, avec un rendement stable de 1.2 mol H2 mol-1 xylose. La température de fonctionnement de 70 °C s'est également révélée optimale pour la production de H2 à partir d'eaux usées thermomécaniques (TMP) dans un incubateur à gradient de température, car la culture en batch à 70 ° C. Une approche de l'ARN a été utilisée pour étudier la structure et le rôle des communautés microbiennes attachées à l'anode, attachées à la membrane et planctoniques dans un MFC mésophile (37 °C) et thermophile (55 °C) alimenté au xylose. Une communauté anodine dominée par Geobacteraceae a soutenu la production d'électricité à 37 °C, alors que l'établissement de micro-organismes méthanogènes et H2 oxydants a entraîné une faible production d'électricité à 55 °C. Cependant, le développement d'une communauté exoélectrogène thermophile peut être favorisé en appliquant une stratégie de démarrage qui comprend l'imposition d'un potentiel négatif à l'anode et l'inhibition chimique des méthanogènes. Une communauté exoélectrogénique mésophile a également été montré pour produire de l'électricité à partir d'eaux usées de TMP dans un MFC à flux ascendant exploité à 37 °C. En conclusion, une production de H2 plus élevé et plus stable peut être obtenu dans une fermentation sombre thermophile plutôt que mésophile. La fermentation sombre à 70 °C est particulièrement appropriée pour le traitement des eaux usées de TMP car elle est libérée à haute température (50-80 °C) et pourrait être traitée sur site. Les eaux usées de TMP peuvent également être utilisées comme substrat pour la production d'électricité dans les MFC mésophiles. La production d'électricité dans les MFC thermophiles est faisable, mais l'enrichissement des micro-organismes exoélectrogènes thermophiles peut nécessiter une longue période de démarrage
Dark fermentation and microbial fuel cells (MFCs) are two emerging technologies for biological conversion of the chemical energy of organic compounds into hydrogen (H2) and electricity, respectively. Due to kinetic and thermodynamic advantages, high temperature can be the key for increasing both dark fermentative H2 production and electricity production in MFCs. Therefore, this thesis focuses on delineating how temperature influences biological production of H2 and electricity from organic carbon-containing wastewaters. Two heat-treated inocula (fresh and digested activated sludge) were compared, for H2 production from xylose at 37, 55 and 70 °C. At both 37 and 55 °C, a higher H2 yield was achieved by the fresh than digested activated sludge, whereas a very low H2 yield was obtained by both inocula at 70 °C. Then, four different inoculum pretreatments (acidic, alkaline, heat and freezing shocks) were evaluated for creating an efficient mesophilic (37 °C) or thermophilic (55 °C) H2 producing community. Acidic and alkaline shocks selected known H2 producing microorganisms belonging to Clostridiaceae at the expenses of lactate producing bacteria, resulting in the highest H2 yield at 37 and 55 °C, respectively. Although a heat shock resulted in a low H2 yield in a single batch, H2 production by the heat-treated fresh activated sludge was shown to increase in the experiment with four consecutive batch cycles.Heat-treated fresh activated sludge was selected as inoculum for continuous H2 production from a xylose-containing synthetic wastewater in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55-70 °C, increased stepwise) fluidized bed reactor (FBR). A higher H2 yield was obtained in the thermophilic than in the mesophilic FBR. Furthermore, H2 production at 70 °C, which failed in the earlier batch study, was successful in the FBR, with a stable yield of 1.2 mol H2 mol-1 xyloseadded. Operation temperature of 70 °C was also found optimal for H2 production from thermomechanical pulping (TMP) wastewater in a temperature gradient incubator assay.A RNA approach was used to study the structure and role of the anode-attached, membrane-attached and planktonic microbial communities in a mesophilic (37 °C) and a thermophilic (55 °C) two-chamber, xylose-fed MFC. An anode attached community dominated by Geobacteraceae sustained electricity production at 37 °C, whereas the establishment of methanogenic and H2 oxidizing microorganisms resulted in a low electricity production at 55 °C. However, the development of a thermophilic exoelectrogenic community can be promoted by applying a start-up strategy which includes imposing a negative potential to the anode and chemical inhibition of methanogens. A mesophilic exoelectrogenic community was also shown to produce electricity from TMP wastewater in an upflow MFC operated at 37 °C. In conclusion, a higher and more stable H2 yield can be achieved in thermophilic rather than mesophilic dark fermentation. Dark fermentation at 70 °C is particularly suitable for treatment of TMP wastewater as it is released at high temperature (50-80 °C) and could be treated on site. TMP wastewater can be also used as substrate for electricity production in mesophilic MFCs. Electricity production in thermophilic MFCs is feasible, but enrichment of thermophilic exoelectrogenic microorganisms may require a long start-up period

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Tan, Chiuan Chorng. "A new concept of regenerative proton exchange membrane fuel cell (R-‐PEMFC)." Thesis, La Réunion, 2015. http://www.theses.fr/2015LARE0012.

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Abstract:

Les travaux précédents trouvés dans la littérature ont mis l'importance sur la pile à combustible PEM ou électrolyseur PEM. Certains articles ont étudié également la pile à combustible réversible et le système d'alimentation en hydrogène par énergie solaire en intégrant à la fois la pile à combustible et électrolyseur. Contrairement à un « Unitised regenerative fuel cell (URFC)», notre conception a un compartiment individuel pour chaque système de PEM-Fuel Cell et d'electrolyseur-PEM et nommé Quasi - URFC. Grâce à ce nouveau concept, l'objectif principal est de réduire le coût de la pile à combustible régénératrice (RFC) en minimisant le rapport de surface superficielle géométrique du catalyseur de l'assemblage membrane électrodes (AME) des deux modes dans la cellule. D'ailleurs, nous visons également à construire un RFC plus compact, léger et portable par rapport à une pile à combustible ou l'électrolyseur classique. Ce travail de recherche est divisé en trois parties : la modélisation et simulation numérique, l'assemblage du prototype et le travail d'expérimentation. Quant à la partie de modélisation, un modèle physique multi-2D a été développé dans le but d'analyser les performances d'une pile à combustible à régénérée à trois-compartiments, qui se compose d'une piles à combustible et d'électrolyseur. Ce modèle numérique est basée sur la résolution des équations de conservation de masse, du momentum, des espèces et du courant électrique en utilisant une approche par éléments finis sur des grilles 2D . Les simulations permettent le calcul de la vitesse, de la concentration de gaz, la densité de courant et les distributions de potentiels en mode pile à combustible et en mode d'électrolyse, ainsi nous aider à prédire le comportement de quasi - RFC. En outre, l'assemblage du premier prototype du nouveau concept de pile à combustible à combustible régénérée a été achevée et testée au cours des trois années d'études dans le cadre d'une thèse. Les résultats expérimentaux de la 3 Compartiments R-PEMFC ont été prometteurs dans les deux modes, soit en mode piles à combustible et soit en mode d'électrolyseur. Ces résultats valideront ensuite les résultats de la simulation, obtenus auparavant par la modélisation
The past works found in the literature have focused on either PEM fuel cell or electrolyzer-PEM. Some of the papers even studied the unitised reversible regenerative fuel cell (URFC) and the solar power hydrogen system by integrating both fuel cell and electrolyzer. Unlike the URFC, our design has an individual compartment for each PEMFC and E-PEM systems and named Quasi-URFC. With this new concept, the main objective is to reduce the cost of regenerative fuel cell (RFC) by minimizing the ratio of the catalyst’s geometric surface area of the membrane electrode assembly (MEA) of both cell modes. Apart from that, we also aim to build a compact, light and portable RFC.This research work is divided into three parts: the modeling, assembly of the prototype and the experimentation work. As for the modeling part, a 2D multi-physics model has been developed in order to analyze the performance of a three chamber-regenerative fuel cell, which consists of both fuel cell and electrolyzer systems. This numerical model is based on solving conservation equations of mass, momentum, species and electric current by using a finite-element approach on 2D grids. Simulations allow the calculation of velocity, gas concentration, current density and potential's distributions in fuel cell mode and electrolysis mode, thus help us to predict the behavior of Quasi-RFC. Besides that, the assembly of the first prototype of the new concept of regenerative fuel cell has been completed and tested during the three years of PhD studies. The experimental results of the Three-Chamber RFC are promising in both fuel cell and electrolyzer modes and validate the simulation results that previously obtained by modeling

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Fonseca, Ramon Naiff da. "Optimization of the sizing and the energy management for a hybrid fuel cell vehicle including fuel cell dynamics and durability constraints." Thesis, Lyon, INSA, 2013. http://www.theses.fr/2013ISAL0110/document.

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Abstract:

L'hydrogène à travers de l'utilisation des piles à combustible (PAC), est de plus en plus considéré comme une option énergétique possible au secteur des transports grâce à ces caractéristiques fonctionnelles. Cependant, la technologie liée à la mise en œuvre de véhicules alimentés par une pile à combustible n'a pas encore atteint le niveau de maturité requis. Ainsi, ce travail propose de traiter certaines de ces limitations qui existent encore. Plus précisément, trois thèmes représentent les objectifs de ce travail : Le dimensionnement optimal des éléments présents dans un véhicule hybride à pile à combustible. La gestion d'énergie optimale pour les applications en temps réel et intégrant les contraintes dynamiques du système PAC. Inclusion de la durabilité de la pile à combustible dans la gestion d'énergie du véhicule. Le premier thème est abordé à travers l'élaboration d'une méthodologie de dimensionnement adapté à un véhicule hybride à la pile à combustible. Dans une approche systématique, le dimensionnement proposé combine les exigences de performance présente dans les spécifications techniques du véhicule, les algorithmes d'optimisation, l'analyse de la mobilité de la population et la viabilité économique de la conception. Le deuxième objectif établi a été développé à l'aide d'une approche d'optimisation de la répartition de puissance entre la batterie et le système PAC. Par l'adoption d'une méthode d'optimisation globale combinée à une stratégie de commande prédictive et l'inclusion de la dynamique du système PAC, un algorithme de gestion d'énergie pour des applications de temps réel a été conçu. Enfin, la durabilité de la pile à combustible a été incluse dans ce travail par l'intégration de sa dynamique de dégradation dans le problème d'optimisation lié à la gestion d'énergie. Cette dynamique représente une contrainte à prendre en considération lors de la répartition de puissance entre le système PAC et la batterie
The hydrogen, through the use of fuel cell stacks (FC), has been increasily considered as an energy possible option for the transport sector. Nevertheless, the technology related to its implementation in fuel cell vehicles has not reached the required maturity level. Therefore, this work intends to deal some of these existing limitations. More precisely, three topics represent the objectives of this work: The optimal sizing of the element present in the fuel cell hybrid vehicle. The development of an optimal energy management strategy oriented for real time applications and including the dynamic constraints of the FC system. The inclusion of the fuel cell durability in the vehicle energy management strategy. The first topic is tackled by the development of a sizing methodology adapted to the fuel cell hybrid vehicle application. Using a systematic approach, the proposed sizing method combine the performance requirements present in the vehicle's technical specifications, optimization algorithms, population mobility behavior and the economic viability of the design. The second assigned objective was developed using an optimization approach for the power split between the battery and the FC system. Through the adoption of a global optimization method allied with a predictive control strategy and the inclusion of the FC system dynamics, it was created an energy management algorithm oriented for real time applications. Finally, the fuel cell durability was included in this work by the integration of its degradation dynamics in the optimization problem, which is related to the vehicle's energy management. Such dynamic represents a constraint that should be taken into account in the power sharing between the FC system and battery

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Lang, Charlotte. "Développement de catalyseurs pour la réaction de conversion du gaz à l'eau dans le cadre de la production d'hydrogène par vapogazéification de la biomasse." Thesis, Strasbourg, 2016. http://www.theses.fr/2016STRAF009/document.

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Abstract:

Le projet Européen UNIfHY a vu le jour dans une optique de production d’hydrogène à partir de biomasse pour le remplacement des énergies fossiles. La purification des gaz produits par la gazéification de la biomasse permet l’obtention d’hydrogène pur pour une utilisation dans les piles à combustible. Cette thèse s’inscrit dans ce projet avec pour but le développement de catalyseurs Fe/CeO2 et Cu/CeO2 déposés sur des supports de mousse céramique pour la réaction de conversion du gaz à l’eau à haute et basse températures, de manière à augmenter la production d’hydrogène et diminuer la perte de charge dans le système. Les principaux objectifs de la thèse sont la synthèse et les caractérisations des catalyseurs à base de fer et de cuivre, l’optimisation des conditions réactionnelles dans la limite du cadre fixé par le projet, la modélisation cinétique en présence des catalyseurs Fe/CeO2 et Cu/CeO2 et la transposition à grande échelle des catalyseurs pour une utilisation en réacteur pilote
The UNIfHY European project was launched in an optic of producing hydrogen from biomass to replace fossil fuels. Purification of gases produced by biomass gasification allows obtaining pure hydrogen which can be used in fuel cells. This thesis takes part in this project with the development of Fe/CeO2 and Cu/CeO2 catalysts deposited on ceramic foam supports for high temperature and low temperature water gas shift reaction to increase the production of hydrogen and decrease the pressure drop in the system. The main objectives of this thesis are the synthesis and characterizations of iron and copper based catalysts, the optimization of reaction conditions within the limits of the framework set by the project, the kinetic modeling of the reaction in the presence of Fe/CeO2 and Cu/CeO2 catalysts and the scale-up of catalysts to use them in a pilot reactor

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Brousse-Pereira, Elodie. "Elaboration par projection thermique d’éléments finement structurés d’un électrolyseur à haute température pour la production d’hydrogène : procédés, structures et caractéristiques." Limoges, 2010. https://aurore.unilim.fr/theses/nxfile/default/06f0d707-179e-42b8-b6c1-412cb6f9b937/blobholder:0/2010LIMO4070.pdf.

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Aujourd’hui le challenge est de réaliser des combustibles de piles à combustibles à électrolyte solide de façon propre au moyen de l’électrolyse de l’eau à haute température. Les nanomatériaux ouvrent des perspectives intéressantes dans ce domaine. La projection thermique est un procédé au rendement intéressant qui permet de réaliser des matériaux nanostructurés d’épaisseurs variables. Ces travaux ont permis de réaliser deux couches de cet EHT par des procédés innovants que sont la projection thermique de suspensions pour l’électrolyte et la projection d’agrégats de particules nanométriques pour l’anode. Grâce à l’utilisation de la torche TriplexPro 200, dont les fluctuations de tension relatives ne dépassent pas les 20% et qui permet de découpler la vitesse et la température des particules, cette étude a permis d’élaborer des électrolytes dont la porosité totale est inférieure à 10% et des anodes qui ne présentent pas de décomposition de phase à haute température
Nowadays manufacturing fuel for solid oxide fuel cells by mean of steam water electrolysis is a real challenge. Nanomaterials should find their place in this way. And then plasma spraying, a process with high ratio, allows manufacturing such nanoscaled materials with varying thicknesses. In this study two of the three HTE layers were manufactured by suspension plasma spraying in the case of the electrolyte and by atmospheric plasma spraying of agglomerated nanoparticules in the case of the anode. Finally the use of the TriplexPro 200 torch, which fluctuations are lower than 20% and which allows decoupling velocity from surface temperature of the in-flight particles, gives the opportunity of manufacturing a gastight electrolyte layer and a second phase less anode layer

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Linares, Lamus Rafael Antonio. "Alimentation d’une bobine supraconductrice par une pile à combustible à hydrogène et conception d'un aimant vectoriel de 3 T." Thesis, Université de Lorraine, 2017. http://www.theses.fr/2017LORR0249/document.

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La pile à combustible convertit l’énergie chimique des réactants en énergie électrique continue, en chaleur et en eau. Elle est généralement utilisée autour d’un point de fonctionnement (ou zone) correspondant à un maximum de puissance électrique. Le courant continu produit par la réaction d’oxydo-réduction est proportionnel à la surface active de la pile et la tension, qui est d’environ 0,6 V au point de nominal de fonctionnement, peut être augmentée par la mise en série de plusieurs cellules (constituant un stack). En raison de son faible niveau de tension continue, son utilisation dans des systèmes électriques nécessitent de l’associer à des convertisseurs de puissance. Les travaux effectués dans le cadre de cette thèse s’intéressent au potentiel d’une source électrique continue basse tension et plus exactement à l’utilisation de la pile à combustible en fonctionnement source de courant commandée (par le débit d’un des réactants). L’expertise du laboratoire GREEN dans le domaine des supraconducteurs, nous a conduits naturellement vers une application innovante à savoir substituer les alimentations de puissance dédiées aux dispositifs supraconducteurs par une pile à combustible. Un premier essai prometteur mené sur une bobine supraconductrice de 4 mH a mis en évidence tout le potentiel d’une telle application et nous a encouragés à étendre l’étude à des bobines supraconductrices fortement inductives, des plusieurs henrys. En effet, les énergies mises en jeu sont alors plus importantes et exigent de dimensionner avec soin le banc d’essai, aussi bien du point de vue de la protection de la pile que des conditions opératoires. Pour ce faire, une modélisation et une expérimentation d’un ensemble pile à combustible/bobine supraconductrice ont également été réalisées. En parallèle du travail mené sur la partie alimentation de la bobine supraconductrice, nous avons travaillé sur le dimensionnement d’un dispositif supraconducteur innovant, communément appelé aimant vectoriel, à trois axes. Ce système peut servir comme charge pour une pile à combustible mais aussi, et surtout, comme outils de caractérisation d’échantillons supraconducteurs. Cet aimant vectoriel permet d’orienter dans les 3 directions de l’espace un champ magnétique de plusieurs teslas, uniforme à plus de 95 % dans une sphère de 100 mm de diamètre. Ce dimensionnement, nous a permis de concevoir et réaliser la structure supportant le bobinage du fil et de choisir un certain fil supraconducteur. Le système complet devant coûter moins de 50 k€, cryostat inclus, nous nous sommes orientés vers du fil supraconducteur à basse température critique, refroidi à l’hélium liquide
The fuel cell (FC) converts the chemical energy of the reactants into direct electrical energy, heat and water. The FC is generally used around an operating point (or area) corresponding to a maximum of electric power. The direct current produced by the redox reaction is proportional to the active surface of the single cell and its voltage, which is approximately 0.6 V at the nominal operating point, can be increase by connecting several cells in series (constituting a stack). Due to its low DC voltage amplitude, its use in electrical systems requires the use of power converters. In this work, we have been interested taking benefit of such DC low voltage power source and more precisely the use of the FC as a current source controllable by the one of the reactant flow rates. The expertise of GREEN laboratory in the field of superconductors has naturally led us to an innovative application, namely to substitute the power supplies dedicated to the superconducting devices by a FC. A first promising test conducted on a 4 mH superconducting coil highlighted the full potential of such an application and encouraged us to extend the study to highly inductive superconducting coils where the energies involved are more important. This requires to carefully design the test bench with a protection system for the FC as well as operating conditions. To this end, a FC model supplying a superconducting coil has been developed and tested experimentally. At the same time, we have focused on the supply part of the superconducting coil by designing an innovative superconducting device, commonly called a three-axis vector magnet. This system can be used as a load for a fuel cell, but also, and above all, as a tool for the characterization of superconducting samples. This vector magnet allows to orient a magnetic field of several tesla in the three space directions, with a uniformity of more than 95 % in a 100 mm sphere of diameter. This design allowed us to realize the windings supporting structure and to choose a superconducting wire. The complete system has to cost less than 50 k€, including the cryostat, we have finally choose a superconducting wire with low critical temperature, cooled by liquid helium

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Beaugrand, Anne-Viviane. "Choix de matériau pour l'élaboration d'un réacteur de reformage de l'éthanol pour l'alimentation d'une pile à combustible." Compiègne, 2004. http://www.theses.fr/2004COMP1534.

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Le présent travail porte sur le développement de matériaux-enveloppes de systèmes réacteurs de reformage de l'éthanol pour pile à combustible, pour une application industrielle automobile. Les conditions d'utilisation du réacteur de reformage sont simuler en laboratoire afin d'étudier la tenue à la corrosion de matériaux métalliques à haute température. Les conditions de reformage sont drastiques (températures de 70o•c à soo•c, avec de possibles échauffements à 1OOo•c, présence de vapeur d'eau et d'hydrogène) et nécessitent donc l'emploi de matériaux performants, qui doivent également répondre à des conditions de coût. Les alliages austénitiques réfractaires apparaissent comme un bon compromis. La résistance à la corrosion à haute température des matériaux métalliques, est due à la formation d'une couche protectrice, dans la plupart des cas constituée d'oxydes qui isole le matériau de l'atmosphère agressive environnante et ralentit son attaque. Nous avons donc utilisé les propriétés intrinsèques du matériau à s'auto-protéger pour améliorer la résistance à la corrosion. Les conditions d'emploi à haute température des alliages dépendent de quatre facteurs essentiels: la stabilité microstructurale, la résistance mécanique des matériaux, la stabilité thermodynamique des oxydes et la résistance au fluage des couches protectrices qui se développent à la surface. Les deux premiers facteurs ne dépendent que des matériaux. Lis ont été considérés lors du choix des matériaux pour l'étude. Les essais effectués permettent de d'établir l'influence des paramètres expérimentaux, mais aussi des conditions opératoires. Au terme de l'étude un matériau est sélectionné et une nouvelle séquence de préparation permettant d'améliorer sa résistance à la corrosion est définie. Elle doit permettre la génération d'une couche de pré-oxydation, sous atmosphère contrôlée, qui agira comme une barrière de diffusion. Son influence est testée sous atmosphère de reformage et en cyclage thermique.

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Videau, Nicolas. "Convertisseurs continu-continu non isolés à haut rapport de conversion pour Piles à Combustible et Electrolyseurs - Apport des composants GaN." Phd thesis, Institut National Polytechnique de Toulouse - INPT, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00988205.

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Face aux enjeux énergétiques d'aujourd'hui et de demain, le développement des énergies renouvelables semble inéluctable. Cependant, la production électrique de sources renouvelables prometteuses comme le photovoltaïque ou l'éolien est intermittente et difficilement prévisible du fait de la dépendance de ces sources aux conditions météorologiques. Afin de s'affranchir du caractère discontinu de la production d'électricité et de l'inadéquation de la production avec la consommation, un moyen de stockage de l'énergie électrique est nécessaire. Dans ce contexte, la batterie hydrogène est une des solutions envisagées. Lors de périodes de surproduction d'énergie renouvelable, un électrolyseur produit de l'hydrogène par électrolyse de l'eau. Lorsque cela est nécessaire, une pile à combustible fournit de l'électricité à partir du gaz stocké. Couplé avec des sources d'énergie renouvelable, la batterie produit de l'énergie électrique non carbonée, c'est-à-dire non émettrice de gaz à effet de serre. L'intérêt majeur de cette technologie est le découplage entre l'énergie et la puissance du système. Tant que la pile est alimentée en gaz, elle fournit de l'électricité, l'énergie dépend des réservoirs de gaz. La puissance quant à elle, dépend des caractéristiques des composants électrochimiques et du dimensionnement des chaînes de conversions de puissance. Les chaînes de conversions de puissance relient les composants électrochimiques au réseau électrique. Dans le cas de la chaîne de conversion sans transformateur qui est envisagée ici, la présence d'un convertisseur DC-DC à haut rendement est rendue nécessaire de par la caractéristique basse tension fort courant des composants électrochimiques. Avec pour but principal l'optimisation du rendement, deux axes de recherches sont développés. Le premier axe de recherche développe un convertisseur multicellulaire innovant à haut rendement à fort ratio de conversion. Les résultats expérimentaux du convertisseur appelé 'miroir' obtenu dans deux expérimentations ont démontré la supériorité de cette topologie en terme d'efficacité énergétique par rapport aux convertisseurs conventionnels. Le deuxième axe de recherche porte sur de nouveaux composants de puissance au nitrure de gallium (GaN) annoncés comme une rupture technologique. Un convertisseur buck multi-phases illustre les défis technologique et scientifique de cette technologie et montre le fort potentiel de ces composants.

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Ma, Rui. "Solid oxide fuel cell modeling and lifetime prediction for real-time simulations." Thesis, Bourgogne Franche-Comté, 2018. http://www.theses.fr/2018UBFCA018.

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Abstract:

Cette thèse présente d'abord une modélisation multi-physique d'une cellule de pile à combustible à oxydes solides de géométrie tubulaire réversible 2D. Le modèle développé peut représenter à la fois une cellule d'électrolyse à oxydes solides (SOEC) et une cellule de pile à combustible à oxydes solides (SOFC). En tenant compte des phénomènes physiques, électrochimiques, fluidiques et thermiques, le modèle présenté peut décrire avec précision les effets multi-physiques à l'intérieur d'une cellule pour le fonctionnement en mode électrolyseur ou en mode pile sur toute la plage de fonctionnement en courant et en température. En outre, un solveur itératif a été mis en place afin de résoudre la distribution 2D des quantités physiques le long de la cellule tubulaire. Le modèle de cellule réversible est ensuite validé expérimentalement dans les deux configurations sous différentes conditions. Par ailleurs, un modèle de pile à combustible alimentée par du syngas a été développé. Ce dernier est orienté contrôle et prend en compte à la fois des phénomènes de co-oxydation de l'hydrogène et du monoxyde de carbone. Le modèle de gaz de synthèse développé est validé expérimentalement dans différentes conditions de fonctionnement. Le modèle développé peut être utilisé dans des applications embarquées comme la simulation en temps réel, ce qui peut aider à concevoir et tester la stratégie de contrôle et de diagnostic en ligne pour le système de génération d'énergie des piles à combustible dans les applications industrielles.La simulation en temps réel est importante pour le diagnostic en ligne des piles à combustible et les tests HIL (hardware-in-the-loop) avant les applications industrielles. Cependant, il est difficile de mettre en œuvre des modèles de piles à combustible multi-dimensionnels et multi-physiques en temps réel en raison des problèmes de rigidité numérique du modèle. Ainsi, la rigidité numérique du modèle en temps réel de la pile de type SOFC est d'abord analysée. Certains des solveurs d'équations différentielles ordinaires (ODE) couramment utilisés sont ensuite testés par la mise en place d’une simulation en temps réel comme objectif principal. Enfin, un nouveau solveur ODE rigide est employé pour améliorer la stabilité et réduire le temps d'exécution du modèle de pile à combustible en temps réel multidimensionnel. Pour vérifier le modèle proposé et le solveur ODE, des expériences de simulation en temps réel sont réalisées au sein d’une plate-forme temps réel embarquée commune. Les résultats expérimentaux montrent que la vitesse d'exécution satisfait à l'exigence de la simulation en temps réel. La stabilité du solveur sous forte rigidité et la grande précision du modèle sont également validées.Les piles à combustible sont vulnérables aux impuretés de l'hydrogène et aux conditions de fonctionnement qui entraînent une dégradation des performances de la pile au cours du temps. Ainsi, au cours de ces dernières années, la prédiction de la dégradation des performances attire l'attention qui conduit à des remarques critiques sur la fiabilité du système. Ainsi, une méthode innovante de prédiction de dégradation PEMFC utilisant un réseau neutre récurrent (RNN) à longue distance (G-LSTM) est étudiée. Le système LSTM peut efficacement éviter les problèmes d'explosion et de disparition de gradient en comparaison avec l'architecture RNN conventionnelle, ce qui le rend pertinent pour le problème de prédiction pour une longue période. En mettant en parallèle et en combinant les cellules LSTM, l'architecture G-LSTM peut optimiser de façon avantageuse la précision de prédiction de la dégradation des performances de PEMFC. Le modèle de prédiction proposé est validé expérimentalement par trois types différents de PEMFC. Les résultats indiquent que le réseau G-LSTM utilisé peut prédire la dégradation de la pile à combustible d'une manière précise
This thesis first presents a multi-physical modeling of a 2D reversible tubular solid oxide cell. The developed model can represent both a solid oxide electrolysis cell (SOEC) and solid oxide fuel cell (SOFC) operations. By taking into account of the electrochemical, fluidic and thermal physical phenomena, the presented model can accurately describe the multi-physical effects inside a cell for both fuel cell and electrolysis cell operation under entire working range of cell current and temperature. In addition, an iterative solver is proposed which is used to solve the 2D distribution of physical quantities along the tubular cell. The reversible solid oxide cell model is then validated experimentally in both SOEC and SOFC configurations under different species partial pressures, operating temperatures and current densities conditions. Meanwhile, a control-oriented syngas fuel cell model includes both hydrogen and carbon monoxide co-oxidation phenomena are also proposed. The developed syngas model is validated experimentally under different operating conditions regarding different reaction temperatures, species partial pressures and entire working range of current densities. The developed model can be used in embedded applications like real-time simulation, which can help to design and test the control and online diagnostic strategy for fuel cell power generation system in the industrial applications.Real-time simulation is important for the fuel cell online diagnostics and hardware-in-the-loop (HIL) tests before industrial applications. However, it is hard to implement real-time multi-dimensional, multi-physical fuel cell models due to the model numerical stiffness issues. Thus, the numerical stiffness of the tubular solid oxide fuel cell (SOFC) real-time model is analyzed to identify the perturbation ranges related to the fuel cell electrochemical, fluidic and thermal domains. Some of the commonly used ordinary differential equation (ODE) solvers are then tested for the real-time simulation purpose. At last, the novel stiff ODE solver is proposed to improve the stability and reduce the multi-dimensional real-time fuel cell model execution time. To verify the proposed model and the ODE solver, real-time simulation experiments are carried out in a common embedded real-time platform. The experimental results show that the execution speed satisfies the requirement of real-time simulation. The solver stability under strong stiffness and the high model accuracy are also validated.Fuel cell are vulnerable to the impurities of hydrogen and operating conditions, which could cause the degradation of output performance over time during operation. Thus, the prediction of the performance degradation draws attention lately and is critical for the reliability of the fuel cell system. Thus, an innovative degradation prediction method using Grid Long Short-Term Memory (G-LSTM) recurrent neutral network (RNN) is proposed. LSTM can effectively avoid the gradient exploding and vanishing problem compared with conventional RNN architecture, which makes it suitable for the prediction of long time period. By paralleling and combining the LSTM cells, G-LSTM architecture can further optimize the prediction accuracy of the PEMFC performance degradation. The proposed prediction model is experimentally validated by three different types of PEMFC: 1.2 kW NEXA Ballard fuel cells, 1 kW Proton Motor PM200 fuel cells and 25 kW Proton Motor PM200 fuel cells. The results indicate that the proposed G-LSTM network can predict the fuel cell degradation in a precise way. The proposed G-LSTM deep learning approach can be efficiently applied to predict and optimize the lifetime of fuel cell in transportation applications

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Chaabna, Solène Houria. "Passivity-based modeling and power routing of a multi-source power cell for hydrogen production." Thesis, Lille 1, 2020. http://www.theses.fr/2020LIL1I065.

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Abstract:

L’hydrogène propre est une solution d’avenir pour le stockage d’électricité renouvelable. Cependant, une cellule multi-sources pour la production d’hydrogène présente de multiples phénomènes physiques, par exemple électriques, électro-chimiques, thermiques, fluidiques, etc. et la représentation des flux d’énergie y est très complexe. De plus, les échanges de puissance entre les composants de la cellule (sources renouvelables, pile à combustible, électrolyseurs, batteries) doivent être évalués de manière globale tout en préservant les réserves de puissance de chaque composant.Cette thèse propose une représentation d’état port-Hamiltonienne, dérivée d’un bond-graph, de chacun des composants d’une cellule de puissance pour la production d’hydrogène. A partir de cette représentation et des propriétés de passivité, il est possible de concevoir des algorithmes de commande. La notion de marge de passivité est introduite pour évaluer la robustesse par rapport aux incertitudes paramétriques ou aux perturbations connues. Pour chaque composant, la variation de puissance alimente un réservoir virtuel d’énergie. L’ensemble des réservoirs constitue ainsi une image des réserves de puissance du système. Au lieu d’utiliser un échange direct de puissance entre les composants et le réseau, nous proposons de gérer les flux de puissance entre les réservoirs, ce qui permet également de contrôler leurs niveaux d’énergie. La méthodologie permet de superviser en même temps la puissance et l’énergie, ce qui conduira à terme à gérer les modes opératoires de la cellule à partir des niveaux d’énergie. La méthodologie est appliquée à une plate-forme comportant des sources renouvelables, une pile à combustible et une batterie conventionnelle
Green hydrogen is emerging as a powerful solution for the storage of surplus electricity which is generated through renewable energy sources. However, a green hydrogen power cell involves multiphysics phenomena as electrical, fluidic, thermal, etc. and the representation of dynamical power flows therein is quite complex. Furthermore, the power exchange between the different components of the cell (Fuel cell, Electrolyzer, storage units, renewable sources) needs to be thought in terms of global performance while taking care of the energy reserves.This thesis proposes a Bond Graph derived port-Hamiltonian representation of all the components of a green hydrogen power cell. From this representation, it is possible to design passivity-based control algorithms. The notion of passivity margin is introduced to account for the robustness with respect to modeling uncertainties or known disturbances. For each component, the excess or shortage of power feeds an Energy Tank, which behaves as a virtual storage unit. Hence, the set of Energy Tanks is an image of the power reserves in the power cell. Instead of using conventional power routing between each component, we propose to manage power flows between the Energy Tanks, which allows us to control not only the power intensity, but also the level of energy within the tanks. Hence, the methodology enables to control both power and energy at the same time, paving the way to Operating Mode Management triggered by energy levels. An application is given on a platform including a fuel call, renewable energy sources, and a conventional storage unit

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Aissani, Lynda. "Intégration des paramètres spatio-temporels et des risques d'accident à l'Analyse du Cycle de Vie : Application à la filière hydrogène énergie et à la filière essence." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Saint-Etienne, 2008. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00783708.

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Abstract:

Dans le contexte actuel de volonté de préservation de l'environnement, nous avons choisi d'utiliser l'Analyse du Cycle de Vie pour évaluer les performances environnementales de filières énergétiques pour le transport et notamment la filière hydrogène étudiée par le Groupe des Ecoles des Mines dans le projet H2-PAC. Cette ACV met en évidence les mauvaises performances environnementales de l'étape de fabrication de la pile à combustible des filières hydrogène direct et bioéthanol-hydrogène. Cette ACV met également en évidence les mauvaises performances des filières essence et hydrogène combustion liée à l'utilisation des moteurs à combustion interne. Du fait de la non prise en compte des paramètres spatio-temporels lors de la caractérisation des impacts environnementaux locaux et régionaux, nous avons utilisé l'approche Site Dependent pour élaborer une méthodologie de classification plus pertinente basée sur deux points clés : la détermination de la concentration environnementale de la substance par le modèle EUSES et la détermination de la pertinence du calcul de l'impact au regard de cette concentration. Nous avons testé notre nouvelle méthodologie de classification afin de réévaluer les impacts locaux et régionaux de trois étapes que sont la fabrication de la pile, l'utilisation du moteur essence et du moteur hydrogène. Cette réévaluation a permis de confirmer les mauvais résultats de l'étape de fabrication de la pile mais elle a remis en question la contribution forte des émissions engendrées par les moteurs. L'intégration des paramètres spatio-temporels pour l'évaluation de ces impacts permet de mieux appréhender notamment l'impact des sources mobiles d'émission. En marge de cette évaluation environnementale, une analyse des risques de l'ensemble de la filière hydrogène direct et de la filière essence a été réalisée au regard de l'image dangereuse que véhicule ce vecteur énergétique qu'est l'hydrogène. Cette Analyse de Risques du Cycle de Vie montre que ces deux filières présentent un niveau de risque comparable même si l'étape de stockage de l'hydrogène semble problématique.

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Gailly, Frédéric. "Alimentation électrique d'un site isolé à partir d'un générateur photovoltaïque associé à un tandem électrolyseur/pile à combustible (batterie H2/O2)." Phd thesis, Toulouse, INPT, 2011. http://oatao.univ-toulouse.fr/11527/1/Gailly_Frederic.pdf.

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Abstract:

Les systèmes à énergies renouvelables couplés à un stockage hydrogène apportent des solutions nouvelles et innovantes à l'alimentation électrique des milieux peu ou non électrifiés. Le concept de batterie H2 qui équipe ce type de système est une forme de stockage originale qui apporte l'autonomie et l'indépendance électrique pour des longues durées (typiquement stockage saisonnier). Le fonctionnement de cette batterie H2 est le suivant : un électrolyseur produit des gaz (H2 et O2) avec les surplus d'énergie de la source renouvelable ; l'hydrogène, voire l'oxygène, est ensuite stocké dans des réservoirs pour être utilisé ultérieurement grâce à une pile à combustible lorsque la source renouvelable est insuffisante. Dans cette étude, nous nous intéresserons spécifiquement au couplage entre des générateurs photovoltaïques avec une batterie H2/O2 pour l'alimentation d'un site isolé sans interruption. Ces travaux de recherche s'inscrivent dans le projet ANR PEPITE (ANR-PanH 2007-2012) et ont été menés en partenariat avec HELION Hydrogen Power, le CEA Liten et l'Université de Corse. Le projet est également labellisé par les pôles de compétitivité CAPENERGIES et TENERRDIS. Tout d'abord, une réflexion générale s'appuyant sur les propriétés d'une batterie H2/O2 démontre la nécessité d'introduire une batterie (ici au plomb) pour garantir un fonctionnement instantané et sans interruption. Puis, une étude qualitative sur les architectures électriques possibles (bus de tension DC, AC…) a été menée pour s'achever sur une étude quantitative réalisée spécifiquement pour le projet PEPITE. Parallèlement à cela, différentes stratégies de gestions énergétiques ont été proposées afin d'utiliser les deux stockages dans les meilleures conditions, de limiter leur vieillissement ainsi que les pertes. Deux bancs d'essais à échelle réduite (un premier à bus DC et un second à bus AC) ont été réalisés au sein du laboratoire LAPLACE afin de valider les études et de préparer le prototype final qui sera testé sur le site de HELION Hydrogen Power au cours de l'été 2011.

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Bento, Nuno. "La transition vers une économie de l'hydrogène : infrastructures et changement technique." Phd thesis, Grenoble, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00463857.

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Abstract:

La double contrainte changement climatique et raréfaction du pétrole oblige à considérer des alternatives énergétiques pour le moyen terme. Ce travail de recherche porte sur le développement d'une économie hydrogène, laquelle n'est pas possible en l'absence d'une infrastructure de distribution et sans la mise au point de la technologie pile à combustible. L'idée forte de la thèse est que l'Etat joue un rôle central aussi bien dans la mise en place de cette infrastructure que dans la viabilité de la technologie pile à combustible. Nous mobilisons les théories de l'organisation des industries de réseau, de l'innovation et du changement technique. Les infrastructures à la base d'un réseau sont porteuses d'externalités qui ne sont pas complètement valorisées par le marché (Economides, 1996). De plus, l'adhésion des consommateurs dépend des anticipations qu'ils font sur la taille que le réseau aura dans l'avenir (Buchanan, 1965). Ainsi, la dynamique de croissance du réseau n'est pas linéaire, mais plutôt caractérisé par l'existence de seuils à partir desquels les externalités positives accélèrent le développement du réseau (Katz et Shapiro, 1985). Par ailleurs, le réseau se développe d'abord pour des raisons techniques et économiques mais l'expansion reste une décision publique (Noam, 1991). La technologie pile à combustible à hydrogène représente une rupture technologique dans les différents secteurs d'utilisation, ce qui rend la transition plus difficile et complexe (Dosi, 1988a ; Freeman, 1982). Le développement de la demande est conditionné par l'évolution de la technologie et du contexte externe (Geels, 2005). A l'aide des théories de la transformation technologique d'inspiration évolutionniste (Christensen, 1997 ; Kemp et al., 1998 ; Arthur, 1989 ; David, 1989 ; Nelson et Winter, 1977, 1982), nous analysons les possibilités qu'a la pile à combustible à percer sur le marché et à remplacer la technologie conventionnelle. Cette thèse présente deux principaux résultats : le premier quant à l'organisation de la mise en place de l'infrastructure initiale et le second quant à la manière dont la voiture pile à combustible peut entrer sur le marché. L'analyse techno-économique de la nouvelle filière hydrogène-énergie met en exergue les enjeux de la mise en place des infrastructures. L'étude du développement des réseaux d'électricité et du gaz dans le passé fournit la base empirique qui confirme l'hypothèse selon laquelle la volonté publique joue un rôle important pour consolider la diffusion des réseaux sociotechniques. En outre, les projets privés de stations-service peuvent se justifier par des avantages de pionnier, mais leur viabilité dépend de la demande dont l'évolution est fonction des performances de la pile à combustible. La domination des technologies conventionnelles liées au pétrole rend plus difficile l'introduction des innovations de rupture telles que la pile à combustible. Et en particulier dans le cas des transports qui ont été verrouillés par le pétrole dans un processus historique de dépendance de sentier (Unruh, 2000, 2002). Dans ce contexte, la pile à combustible devrait entrer progressivement sur le marché à travers l'accumulation des niches où l'innovation est plus proche de la commercialisation. Ces niches de marché devront se retrouver dans un premier temps dans les applications portables. Cela doit s'accompagner d'un investissement en recherche et démonstration de manière à augmenter les performances et à diminuer les coûts, en permettant ainsi d'arriver rapidement aux marchés principaux. A l'aide d'un modèle simple de diffusion multitechonologique, nous étudions le comportement de la concurrence entre la voiture pile à combustible à hydrogène et la voiture hybride rechargeable. Nous montrons que l'entrée précoce de cette dernière risque de bloquer l'arrivée de la voiture à hydrogène sur le marché. Des progrès dans la pile à combustible sont nécessaires pour accélérer la diffusion de la voiture à hydrogène, ce qui demande le maintien d'un soutien public à la R&D. Le coût du carbone et la stimulation de la demande sont des mesures complémentaires permettant d'accélérer l'entrée de l'hydrogène dans le marché. En outre, une adoption à large échelle exige une couverture suffisante de l'infrastructure de support ; mais les plans des agents privés risquent d'être trop modestes initialement. Le financement public de l'infrastructure est alors une solution pour démarrer la transition.

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Brieuc, Fabien. "Modélisation et simulation des effets quantiques en dynamique moléculaire : application à l'étude de la conduction protonique." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLC060.

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Abstract:

Cette thèse porte sur l'étude des effets quantiques en dynamique moléculaire (DM). La DM est une méthode numérique qui permet l'étude des propriétés de la matière condensée. Cependant, la méthode étant basée sur la mécanique classique, les effets quantiques associés à la dynamique des noyaux, tels que l'énergie de point zéro ou l'effet tunnel, ne sont pas pris en compte. Ces effets quantiques nucléaires peuvent cependant jouer un rôle majeur, en particulier aux basses températures et/ou dans les systèmes contenant des atomes légers comme l'hydrogène. La dynamique moléculaire par intégrales de chemins (PIMD) est souvent utilisée, dans ce cas, pour tenir compte de la nature quantique des noyaux. Cette approche fournit des résultats quantiques exacts, mais son coût en temps de calcul élevé limite son domaine d'application. La méthode du bain thermique quantique (QTB) a été proposée comme une alternative à la PIMD. L'approche QTB est particulièrement intéressante car son coût en temps de calcul est équivalent à celui de la DM standard permettant ainsi l'étude de systèmes complexes et de plus grande taille.La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude de la méthode QTB. Nous avons étudié le comportement de la méthode sur différents systèmes modèles afin d'étudier ses limites. En particulier, le problème du "zero point energy leakage" est étudié en détail et nous montrons que l'augmentation du coefficient de friction du QTB permet de limiter ce problème. Nous avons également développé une combinaison de la méthode QTB avec la méthode PIMD. Cette méthode combinée QTB-PIMD permet de réduire le coût en temps de calcul des simulations PIMD standards.Dans une deuxième partie, nous avons utilisé ces méthodes pour étudier la conduction de l'hydrogène dans des matériaux pérovskites. Nous nous intéressons d'abord à l'impact des effets quantiques sur la diffusion de l'hydrogène dans BaZrO3, un matériau d'électrolyte potentiel pour piles à hydrogène. L'hydrogène étant l'élément le plus léger, un impact important des effets quantiques est attendu. Nous trouvons que les effets quantiques sont effectivement importants à basse température, mais leur impact sur la diffusion reste faible aux températures de fonctionnement typiques des piles à hydrogène. Enfin, nous avons étudié les mécanismes de diffusion de l'hydrogène dans GdBaCo2O5.5. Nous mettons en évidence une diffusion anisotrope dans ce matériau et deux mécanismes principaux de diffusion
This thesis deals with the study of quantum effects in molecular dynamics (MD). MD is a powerful numerical method to investigate the properties of condensed matter systems. However, since the method is based on classical mechanics, quantum effects associated with the dynamics of the nuclei, such as zero-point energy or tunnelling, are not taken into account. These nuclear quantum effects can, however, play a major role in particular at low temperatures and/or in systems containing light atoms such as hydrogen. In these cases, a standard way to account for the quantum nature of the nuclei is to use path integral molecular dynamics (PIMD). This method provides exact quantum results however its high computational cost limits its range of applicability. The quantum thermal bath (QTB) method has been proposed as an alternative to PIMD. The QTB method is particularly appealing because of its computational cost that is equivalent to standard MD thus allowing to study large and complex systems.The first part of this thesis is devoted to the study of the QTB method. We have studied the behavior of the method in selected model systems in order to investigate its limitations. We have focused, in particular, on the zero-point energy leakage problem and found that increasing the friction coefficient of the QTB can significantly limit this problem. We also have developed another way to use the QTB method by combining it with PIMD. This combined QTB-PIMD method allows, in particular, to decrease the computational cost of standard PIMD simulations.In a second part, we have used these methods to study hydrogen conduction in perovskite materials. We have first investigated the impact of quantum effects on the diffusion of hydrogen in BaZrO3, a potential electrolyte material for hydrogen fuel cells. Since hydrogen is the lightest element, we expect quantum effects to have a significant impact on its dynamics. We find that quantum effects are indeed significant at low temperatures although their impact on the diffusion remains low at the typical working temperatures of hydrogen fuel cells. Finally, we have investigated the diffusion mechanisms of hydrogen in GdBaCo2O5.5. We evidence that the diffusion is anisotropic in this material and two main diffusion mechanisms

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Dissertations / Theses on the topic 'Piles à hydrogène'

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